基因驱动:在争议中前行

2019年9月15日 19:47
來源:香港奇点财经特邀专栏 全球技术地图

本文梳理了基因驱动技术的发展脉络、当前的最新应用进展,以及可能对伦理和社会安全带来的挑战。

“基因驱动”(Gene drive)是指特定基因有偏向性地遗传给下一代的一种自然现象,且可多代遗传。基因驱动的工作方式是确保有机体后代继承某种特定基因的比例高于偶然发生的比例,从而允许突变或外来基因在群体中迅速传播。在基因驱动中,特定基因的遗传率达到100%,高于正常“孟德尔“遗传的50%的遗传率,即所谓的“超孟德尔式”遗传。

基因驱动技术的发展脉络

“基因驱动”这一概念最早在2003年由伦敦帝国理工学院进化遗传学家Austin Burt提出。由于基因突变实验方法的低效和繁琐,基因驱动理论被搁置了近十年,直到2012年CRISPR/Cas9基因编辑技术出现,该技术才开始大放异彩。自2014年以来,科学家研发出一系列基于CRISPR/Cas9的工程化的基因驱动系统,在酵母、果蝇和蚊子中实现外部引入的基因多代遗传,并在哺乳动物小鼠中证实基因驱动可用于增强特定基因的遗传性。

科学技术是一把双刃剑,基因驱动亦不例外。基因驱动存在诸多潜在益处,如可用于制造遏制疟疾、登革热和寨卡病毒传播的转基因蚊子、恢复害虫对杀虫剂的敏感性、优化实验动物模型、开展复杂疾病研究和抵抗有害群体入侵等,但这些研究尚处于实验室阶段。同时对该技术相关威胁的讨论早已展开,比如导致靶物种灭绝、扩散到目标地理区域之外的地方和影响另外一种物种的潜力,以及导致经济损失甚至生物恐怖主义的潜在滥用。

在开发出“基因驱动”技术之前,科学家已经尝试利用基因技术来控制蚊虫。2016年3月,美国食品和药物管理局(FDA)初步同意英国牛津昆虫技术公司在佛罗里达州基黑文地区投放代号为OX513A的转基因蚊子,以研究转基因蚊子帮助消除寨卡和登革热等疾病的有效性。OX513A转基因雄性蚊子,可导致与其交配的雌蚊所产下的幼虫早亡,从而达到减少携带登革热和寨卡病毒伊蚊数量的目的。2016年8月,FDA认定在美国南部佛罗里达州投放转基因蚊子的试验不会对环境产生显著影响。在此之前,英国牛津昆虫技术公司在巴西、巴拿马及开曼群岛已经开展过类似试验,每个地区的结果均显示伊蚊数量减少超过90%。

但上述“常规”转基因蚊子只经过普通基因工程技术改造。该技术使用的基因只能传一代,高度可控,因而不能被称为“基因驱动”技术。基因驱动技术使用的基因可多代遗传,产生携带“基因驱动器”的蚊子,即基因驱动蚊子。

目前还没有任何一种含有“基因驱动器”的生物被释放到自然界,但研究人员指出该试验原则上可以在三年后就绪。非洲“目标疟疾”(Target Malaria)联盟是由比尔及梅琳达•盖茨基金会和硅谷开放式慈善项目资助的非营利性研究联盟,致力于通过基因驱动技术减少撒哈拉以南非洲地区传播疟疾的蚊子的数量,进而遏制疟疾的传播。该联盟在南非的布基纳法索、马里和乌干达开展疟疾防治研究。2018年,经当地政府批准和社区居民同意,“目标疟疾”的研究团队在西非布基纳法索的村庄Bana释放第一批大约10000只“常规”转基因雄性蚊子,这些蚊子无法繁殖后代,而且并不携带“基因驱动器”,不会对昆虫种群产生持久影响,也不会叮咬人类。2019年7月,该团队继续布基纳法索的村庄Bana释放了大约6400只经过普通基因工程技术改造但未携带“基因驱动器”的“常规”转基因蚊子,以期为未来可能的基因驱动蚊子的野外释放试验提供数据。该团队打算最早于2024年在撒哈拉以南非洲进行基因驱动蚊子的野外释放试验。

基因驱动技术的发展特点

技术有效性有待进一步提高

种群个体可能对驱动基因产生抗性,并将抗性传递给后代,使基因驱动失效。经过改造的基因编码的特征通常不具有进化上的积极意义,甚至是消灭整个种群,这会生成一种选择压力,导致种群中出现并积累抗性突变体,降低基因驱动器的稳定性和遗传效率。实验室研究表明,一旦研究人员定期释放基因驱动器,动物就会积累抗性突变体来阻止基因驱动器的扩散。突变通常会改变CRISPR设定识别的序列,从而阻止基因编辑,导致基因驱动在多代遗传后减少。因而,研究人员后来重新选择了高度保守的目标基因作为驱动器,以减少突变和抗性。2018年9月,英国帝国理工学院科学家通过制造破坏生育基因doublesex的驱动器,使笼养蚊子种群完全崩溃。这是基因驱动首次完全抑制某种群的案例,是第一个有望在野外生效的基因驱动。目前该团队正在调整驱动器,就像用药物组合治疗疾病一样,在生育基因doublesex上切割两个基因座,从而使抗性突变的几率极大地降低。

在哺乳动物中,由于遗传机制的差异,科学家面临的挑战要比抗性问题大得多。2018年7月,美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校(UCSD)的研究人员首次报道了在哺乳动物中进行的基于CRISPR/Cas9的基因驱动实验。研究人员设计了一种切割小鼠酪氨酸酶基因Tyr的驱动器,将小鼠毛皮变成白色。结果显示,驱动器在基因组中的自我复制效率仅为72%,并且在雄性种系中效果不佳。驱动器没有自我传播,且研究人员并未追踪多代遗传后的性状,因此技术上不能被视为基因驱动。研究人员将围绕提高该技术效率和探明为何基因驱动在雄性小鼠中不起作用等方面作进一步探索。

除了实验室技术路径影响基因驱动的有效性,在自然环境中,食物和其他生态因素的竞争可能也会改变基因驱动的有效性。若要实现在病媒种群控制和入侵性啮齿类动物控制等方面安全且有效地应用基因驱动技术,人类仍有很长的路要走。

新应用方向被不断发掘

尽管消灭蚊子以根除蚊媒传染病的研究在基因驱动领域占主导地位,但是也有科学家尝试将该技术用于加快实验室研究工作、保护生态系统等领域。部分科学家将基因驱动作为实验室工具,培育复杂的实验室研究模型。2017年10月,英美科学家合作开发了一个通过基因驱动技术使白色念珠菌突变的系统。突变基因可以达到接近100%的突变效率,而且可传递给后代。白色念珠菌是一种经常产生耐药性的人类真菌病原体,它的基因组难以操作。但上述基于CRISPR-Cas9的基因驱动系统的工作效率很高,可用于对白色念珠菌的遗传互作分析,加快了相关研究工作。此外,部分研究人员希望通过基因驱动技术阻击外来入侵生物。“侵入性啮齿动物遗传生物控制”(GBIRd)联盟的成员团队正在研究一种天然存在于小鼠体内的被称作t-haplotype的基因驱动,培育仅产下雄性后代的小鼠,使种群数量骤减,以大范围灭鼠并降低灭鼠成本。另外,一些研究蚊媒疾病的科学家尝试比完全消灭昆虫种群更微妙的手段来预防疾病。2019年5月,美国加州大学圣地亚哥分校的科学家设计出一种帮助昆虫种群抵抗登革热病毒的抗体,并尝试将该抗体连接到基因驱动器上以确定它是否会扩散。同时研究人员建立了一种多用途基因驱动器,当任何病毒感染蚊子时,都会激活毒素系统,杀死蚊子。

笼养实验不断扩大,探索向自然界释放

在意大利,研究蚊媒疾病的科学家通过不断改变蚊子笼的环境条件,并扩大规模,以更好地模拟自然条件,从而在笼子中复制蚊子的自然交配行为(例如雄性形成群体来吸引雌性),并观察这些行为如何影响基因驱动的传播。目前的实验结果显示,基因驱动器能有效地传递,笼养蚊子种群中并未出现抗性突变体。在西非,“目标疟疾”联盟的成员团队正在建立预期释放地点的生态模型,以获取实地动态情况。2019年3月,该团队建立了布基纳法索及周边国家40000多个蚊子种群定居点的生态模型。该模型考虑了河流、湖泊和降雨,以及有关蚊子运动的野外数据。结果显示,为了减少昆虫的总体数量,研究团队需要在几年内向当地多个村庄重复引入而不是单次释放改良蚊子。

需要特别关注的问题

基因驱动技术引发巨大的伦理和社会争议

由于基因驱动技术是否奏效,释放时可能出现意外以及土著群体的权利问题,社会各界围绕基因驱动展开了激烈讨论。支持者认为技术应用前景广阔,尤其是对昆虫媒介和害虫数量的控制潜力巨大,并且支持者认为是否野外释放基因驱动生物体应该咨询可能受影响的当地社区和土著群体而非由国际公约限制。反对者则认为技术风险太大,基因驱动生物体一旦释放到野外,可能会失控。一些环保组织甚至把基因驱动比作原子弹。而且过去几千年中,人类活动已经无意识地导致许多物种灭绝,基因驱动则是有意识地改变或消灭其他物种,这在伦理上有本质的不同。

当前,联合国条约同意限制基因驱动,但不会暂停此类实验。早在2014年,联合国生物多样性公约(CBD)的专家小组就指出基因驱动已经成为他们需要解决的首要问题。2016年12月,CBD会议并未通过全球暂停基因驱动研究的提议,仅呼吁对包括基因驱动在内的合成生物学产品进行实地测试时要十分谨慎,同时支持对产品潜在影响进行更好的风险评估。在2018年11月的CBD会议上,各国否决了一项暂时禁止野外释放携带基因驱动器的生物体的提议。

一些研究人员和环保组织并不赞成大范围应用基因驱动技术,认为基因驱动虽然有一定的用处,但存在非常大的潜在风险,而且相关伦理问题有待探讨。首先,基因驱动可能创造一个新的高侵入性物种,对生态系统造成未知且可能不可逆的影响。其次,生物体会对基因驱动产生抗性,这也是一种需要人类应对的进化。理论上,基因驱动甚至可能通过使疟疾寄生虫进化为更具毒性或被其他宿主携带而对人类健康产生负面影响。最后,基因驱动是有意识地改变或消灭其他物种,可以快速改变一个物种的种群属性,在几年内消灭几千年的进化特征,没有国家、机构或个人有权力去改变影响全世界的自然法则,去决定消灭其他物种。

尽管法律限制、伦理担忧和对意外后果的恐惧阻止了基因驱动在野外进行测试,但它可能带来的好处仍吸引了大批研究者和大量资金支持。一个受到良好调控的基因驱动可能拯救数百万人的生命。比尔•盖茨多次在公开场合为基因驱动技术发声,相信这项技术可消灭传播疟疾的蚊虫,根除非洲的疟疾。比尔及梅琳达•盖茨基金会前后已对“目标疟疾”联盟投资7500万美元。该联盟囊括了来自非洲、北美和欧洲的科学家,目前正在非洲测试“常规”转基因蚊子,最终将释放基因驱动蚊子以根除疟疾。美国国家科学院在2016年发布了关于基因驱动技术的研究报告。在专家们发现基因驱动技术存在许多潜在风险的同时,美国国家科学院仍资助了许多基因驱动的研究,其中可能包括“高管控下的野外试验”。

基因驱动得到美国军方的高度关注

由于基因编辑及包括基因驱动在内的衍生技术对国家安全、民众健康和环境保护具有广泛的潜在影响,美国军方高度重视基因驱动技术的安全、可控研究。美国国防高级研究计划局(DARPA)曾与美国国家科学院共同出资,委托研究团队撰写了基因驱动研究报告,分析了基因编辑的研究进展及影响,为基因编辑技术发展提供思路框架。截至2017年底,DARPA在基因编辑技术及其衍生技术领域投资了1亿美元,推动对这些技术的知识体系的建立和安全、可控的应用。DARPA一度成为全球最大的基因驱动研究资助者。

2018年,美国国防部发布《合成生物学时代的生物防御》报告,确定了包括DNA合成和基因编辑在内的合成生物学可用于制造生物武器以伤害人类的十几种方法,指出合成生物学增加了潜在生物恐怖分子威胁的数量和严重性。美国科研人员和资助机构早在2004年就开始关注合成生物学。根据美国伍德罗·威尔逊国际学者中心2015年发布的一份报告,从2008年到2014年,美国政府共花费大约8.2亿美元用于合成生物学。2012年后,大部分经费来自DARPA和其他军事机构。DARPA在合成生物学领域支出的非保密资金从2010年的接近零增加到2014年的超过1亿美元。

2016年9月,DARPA启动“安全基因”(Safe Genes)项目。该项目聚焦于工具的开发与利用,提高对快速发展的基因编辑技术及其衍生技术的了解,使基因编辑技术安全、可控地用于对人类有益的目的,解决基因编辑研究中关键的安全问题,在新兴生物技术出现的初始阶段就建立相应的生物安全保障措施,以应对合成基因随生殖遗传带来的威胁,防范这一领域的潜在风险。

2017年7月,DARPA的“安全基因”项目宣布给7个团队投资6500万美元以研究基因驱动和遗传修复技术,以及基因编辑在哺乳动物中的体内治疗应用两个领域。这7个研究团队分别来自麻省理工学院与哈佛大学共建的博德研究所(Broad Institute)、哈佛医学院、马萨诸塞州总医院、麻省理工学院、北卡罗来纳州立大学、加州大学伯克利分校和加州大学河滨分校。

具体而言,这些团队的研究内容包括开发开启和关闭基因编辑的方法;探测、阻止、修复基因组因受到辐射而发生的突变;控制和测量细菌、哺乳动物和昆虫等生物体的基因编辑活性;构建安全、高效、可逆地编辑地区生物亚群的“雏菊驱动”平台;开发和测试哺乳动物基因驱动;开发安全、高效的抗病毒(寨卡和埃博拉)的基因编辑工具,筛选和验证天然药物或合成药物抑制基因编辑活动的有效性;研发稳健、可逆地控制埃及伊蚊种群的基因驱动系统,并在有限的、模拟的自然环境中进行测试等。

此外,截至2017年12月,GBIRd联盟已获得DARPA 640万美元的资助,研究通过基因驱动技术对抗入侵的啮齿动物的工作。伦敦帝国理工学院的研究人员也已获得DARPA资助的250万美元,以对基因驱动进行识别和意外控制研究。

在DARPA的资助下,相关团队对基因驱动技术的化学控制、基因控制及其“撤回”机制(恢复原生态)的研究工作不断取得突破。2019年4月,美国哈佛医学院团队研发了一种称为雏菊驱动器的自耗竭驱动器。该驱动器被设计成一次失去一个链接,直到几代之后耗尽,以可调的方式限制世代传播和地理传播。此外,美国加州大学圣地亚哥分校的团队正在开发无法扩散到蚊子或苍蝇的目标群体之外的基因驱动器。这样的驱动器需要持续释放许多代。当这些释放停止时,它会被野生型基因稀释,并在四年内消灭。2019年5月,该团队成功为登革病毒的主要媒介埃及伊蚊研发出了几种版本的基因驱动器。另外,“目标疟疾”联盟正在研发阻止种群中生育基因doublesex驱动器的措施。

开发一种通过种群传播的新型基因技术必须慎之又慎。人类要对基因驱动技术小心验证,以正确的方式开展研究,确保安全性和有效性。同时为确保基因驱动技术安全发展,要在实验室、政府机构和公共场合展开公开讨论,正确认知技术的发展阶段并评估其影响。