内容简介
4 a7 B+ V. }3 b6 R1 a9 W 粮食危机、能源危机、人类目前束手无策的各项疾病，通过基因组编辑，都能看到解决的希望！' Z! x* _2 D" s2 d
基因组编辑让我们能够按照自己的意愿设计DNA，改变生物。2 e: H: G- G6 {0 d' b
自2013年开始，基因组编辑技术取得了划时代的进步，它的操作非常简单，通过网上购买的药剂，具备一定知识的研究人员甚至大学本科生就可以自行操作。因此，这项技术在多个领域发生了爆炸式的进步。学术期刊《Science》将基因组编辑技术评选为年度十大科学突破之首，将其视作俱佳体现科学界发展和成果的代表。4 X* w0 O2 I. v9 t5 U, V! U
以前存在于科幻小说中的故事，已成为近在眼前的现实。但是，这项技术也带来了法律、伦理方面的问题，亟待全社会思考。
2 j; S( N1 y2 A6 y8 w4 } 让我们共同目击复杂的生命现象与不断进步的科学技术对峙的瞬间。
' C4 ^$ J5 ^, a( l1 R/ X% i 作者简介5 _7 Z" l7 V. F# ^" {
日本NHK“基因组编辑”采访组
. k X4 |, _* J0 n! ^ NHK大阪放送局和京都放送局于2014年秋组成该项目组，制作基因组编辑的相关节目。节目《改造“生命”的新技术～基因组编辑超前线》于2015年7月播放，作为首次向大众介绍基因组编辑的节目，引起人们的广泛关注。
3 U) P U0 a1 X: I 精彩书评
" `6 W% D, _- ]) g% j5 p! r 改写人类的设计图谱，这在5年前还只会被当作是科幻故事，如今却已成为可能。然而我们究竟该如何利用这项崭新的技术？仅仅依靠科学家是不足以回答这个问题的。我认为有必要对此展开一场广泛的讨论，让除了科学家之外的生命伦理学研究者以及普通民众都参与进来。
3 g) F4 s: Y1 O 京都大学iPS细胞研究所所长
/ X* E( j5 F0 X8 D* S& d 2012年诺贝尔医学·生理学奖获得者
8 o+ W: z9 t# z! G6 R 山中伸弥1 m# P8 E# r0 [( {% v! N$ L% ^& ]% x
在我看来，CRISPR-Cas9已经对生物学研究领域造成了巨大的冲击。这就是所谓的“足以改变世界”。等到十年后再回顾“CRISPR-Cas9给世界带来了怎样的影响”这一问题，人们将会发现，这项技术已被应用于生物学研究的各个领域。如今，它正掀起一场革命，这条创新的道路永无止境。" S6 [; T3 L7 x6 _( ]4 I. h7 ^
美国麻省理工学院历史上年轻的华人终身教授$ ^ Z4 g6 M- W5 s' O+ C$ L
阿尔伯尼生物医学奖获得者7 u, _# {3 g2 M8 K7 T
张锋, e! V) {0 d$ H0 D
基因就像是源代码，组成各种复杂的程序——生物。基因组编辑的发展，意味着人类已经从“认识代码”进步到了“修改代码”的新高度。本书让我们看到了基因组编辑带来的让人振奋的未来，也让我们思考人在接近“神”的过程中必须重视的伦理问题。
& C; K. q `" y V1 G; I2 ` FutureLabsFL未来实验室创始人' `" M" W+ Z! f4 j
DCCI与未来智库创始人
; y* E( R( o7 L) F" ` 胡延平
$ ]* L; q- M5 t+ x# J, a 生命表象的多样性蕴藏在简单的基因序列之中，本书用生动的、非教科书式的方式讲述了基因信息在生物体特征呈现上的决定性意义。从人类对基因的尝试型认知到基因编辑技术的灵活应用，一路走来，深入简出地阐述了基因技术在生物工程和疾病治疗的巨大应用价值。: S, H8 C# z6 W& F' ]3 ~! z$ w
大连理工大学生命科学与技术学院教授* \ z4 a4 d- y; S, c0 b
陈麒先
$ w" h6 E" k/ H7 y/ ]7 Q9 m 目录. n, }0 Y# n: w+ v7 n7 a3 {
第一章 生物已经开始改变2 {- l7 R9 p5 J4 a
不存在于自然界的荷兰乳牛% {; M$ v: _. l' W9 j
基因重组技术的诞生
9 ~5 O9 k- P* x- }) L% m5 D% c 把数百年的时耗缩短至几年# w: W* e, }6 @" b) O, Q
控制肌肉含量的基因: d9 W/ X7 ]- M1 V4 c `, q
在水槽中养殖真鲷
$ b& r# ^$ M6 l0 _/ q! j 鱼到底有没有变大
0 V+ R7 b, E' D 瞬间就能完成的基因组编辑操作
7 k$ @9 J- M L y* Q3 q 基因分析的结果& d- B9 r6 f: J
变成了1.5倍
0 G+ z+ _" ]- _! o/ l+ U) d* J 全新的真鲷; F8 k8 S& S# k& a! S
创造“功能鱼”
' Z, ~: w0 c' v$ j. Z3 O 第二章 基因组编辑的机制解析
7 k) K& y2 n$ _& U4 I( O2 S0 _ 青蛙变白了' e8 Z; j% C) h
到底什么是“基因组”
8 w4 U. `0 I: e% z6 S 以往的品种改良
' S. w' y) G9 o" P! w. [- }# A 基因重组与基因组编辑; [; D. u# V% {! A
如何“对单一基因进行操作”
0 E# w9 o8 h* h- ~# P 基因组编辑是何时出现的# J) R3 p- o6 f5 M3 P- s/ i; U
第三代技术——CRISPR-Cas 9诞生记4 P9 w) o$ X6 y2 g
“向导”和“剪刀”——CRISPR-Cas 9的机制解析5 I" S2 o2 P k; l% C4 x9 j
原则上，基因组编辑能应用于所有生物
! a/ {( Y+ v1 ]* v E) G) U( s- Y0 Y 强化基因组编辑应用领域的产业优势
2 C1 B' Z' L' `# S: R3 q CRISPR是日本科学家发现的* j( |* l& a7 ]- }8 J; E3 ]
第三章 CRISPR-Cas 9浪潮席卷美国/ Q" q+ h y& }
机缘始于电影<侏罗纪公园/ Q, W0 z' ~( d
“超级工具”诞生之前6 N5 \/ }; u! m6 w0 X: Y
沉睡于冰柜中的“宝物”6 e! m Y0 t: \. ~2 v3 P
治疗癌症的希望
& ~4 A) I# k% A2 O 网络上的基因组编辑
, A% z7 [" c. } 4万种基因组编辑工具
- w; U1 E- J& ~: t 研究者的宣传和流通平台
0 G* m( {% ^5 L; o1 R q6 l 媲美亚马逊的配送系统: P5 M3 r* R' }+ [
基因组编辑非常简单——操作只需2分钟 w& F; o8 Q0 _7 u: m" W
Addgene在日本也有代理商, a/ p. j# c. m9 o- I4 I
第四章 蓬勃发展的基因组品种改良
5 M u" q# w- [; e% c* s 颠覆了畜牧业常识的牛
" A9 Y% Z- u8 X+ y 从研究者到创业公司的CEO
6 O; O j2 }4 Q: t& j4 y6 P+ F 无角之牛，抗病的猪
5 f) }, @4 J1 V4 W" I 不是“科学怪牛”
5 u4 } p% b' ~) t/ l) ^9 H 发芽的土豆有毒哦& L( G. _' Q0 z4 k2 d. u7 Z
利用“感染”，从土豆中排除毒素$ G. j& X& B- ]9 [4 p6 ?
基因重组农作物不得不面对的壁垒. W1 D C; D* p0 W9 T
对植物进行基因组编辑的可能性, |/ j4 M$ u# n, N5 V8 ^
什么是“战略性创新推进计划”& u3 s# J" `- ~, u z* W
诞生自藻类的生物燃料
z( T; W" y2 X0 _ f% Q 与厂商合作——以油脂的大规模生产为目标
& @, d3 o. Q( Q7 U1 F2 B5 \& N 第五章 从基因组层面治疗疑难杂症
0 C' ^! j- D9 f- R" B 艾滋病病毒的临床试验受试者, B* |4 v" p/ [6 {2 g
以前的HIV疗法与最新的HIV疗法4 @/ d+ o# D# }9 A$ E) s+ N( G
简单到难以置信的疗法5 L+ Q9 [/ r$ U* z+ P# X
基因组编辑医疗的先锋 a' m+ ^4 h4 i* A1 q
临床试验后立刻显现出惊人的变化
9 {. ]" Z. z( S Q8 ?& a; V 对癌症治疗也进入了实用阶段
0 B& z; q |- F4 f0 r; K 京都大学iPS细胞研究所的挑战. K E* i6 Q2 F/ Q2 ~
以根治肌营养不良症为目标
% d) c" b6 W+ S: V& [. X; }9 \. R5 o 氨基酸和蛋白质
7 l/ J- ^) {) l( _ 有三种编辑方法能制造出蛋白质
K$ N6 \ S4 H- }; I$ z8 } 伊S细胞+基因组编辑
& ]! {* ? ?1 }& E# _ 通过注射，将基因组编辑物质送入体内5 O4 C% ?/ t( O5 E3 k* E
基因组编辑的竞争对手是美国
. e4 J: i! R O1 z 将猴子作为模型动物9 t! Q. k5 L2 }) f: P
第六章 希望与不安之间——充满迷惘的研究现场
) D& o4 x0 a, g! ~$ M7 R$ h 针对基因重组技术的严格规定
* W0 u7 z; L% r2 T+ w 研究者的不满9 a4 y8 x. _' x! n
基因组编辑是否等同于基因重组3 ?' _/ q' I& K/ J4 _
当接受过基因组编辑的食物被摆上餐桌
# W; z" |* f/ H( A& ?5 b2 ? 基因组编辑不会留下痕迹
4 E# }. f" E7 A/ S 基因组编辑食品的安全性如何
9 u6 |4 H( V7 v9 b7 Y/ e 努力实现“安全的基因组编辑”$ l3 g+ i% K: k
CRISPR-Cas 9的归属权之争
) W1 a$ ]' l X 诺贝尔奖将花落谁家
. @7 j, @" ^* h' Z2 r 改造人类
2 g5 T* ~: A1 H, E+ u: @+ Z 意见分歧——对人类受精卵进行基因组编辑
1 g3 e9 o3 h3 h" _, z0 t# ]: m “人类基因组编辑国际峰会”的召开3 }, z4 o7 i* f0 J
阿西罗马会议和《卡塔赫纳生物安全议定书》- g7 H* r, y. M+ ?% A7 S
人类基因组编辑国际峰会的声明
2 o7 ^5 Z% I- A- H$ U) n" V 使用人类受精卵进行基因组编辑的多个案例
5 z. Q) A) d4 Q. i: [ 日本政府的态度
- U7 z0 s$ G& w( x y2 X 对临床应用的假想
8 a* G( x9 r' w/ S9 t 如何看待科学技术的进化
0 O* ?6 j7 U/ Z1 k/ Z" n 为了造福人类
: T# A( e$ b0 x/ v- N& w3 t 结语
; d5 A; V+ G) M5 c T. Q& D9 z 访谈“为了站在生命科学的前沿”——山本卓 Q$ u5 }0 M W6 s- M c- g& G p [
与基因组编辑的邂逅6 u4 Q" @, V& {" S2 ?
基因组编辑工具的免费获取# r9 w' z1 \2 u2 [0 Q* Z
CRISPR-Cas 9的冲击0 F; N4 V0 g5 B
从研究者变成开发者% |# \, ] b7 W; _
基因组编辑学会的成立初衷+ G4 Q4 A6 Z; s$ V
基因组编辑在研究者眼中的风险
! d) Z c/ \- i) i- J 基因组编辑能被社会接受吗？/ |7 I$ b3 N0 ^& v
基因组编辑引领着癌症治疗的未来- u; @) N: V3 W0 p# e( I4 J/ `# x
关于基因组编辑的未来
( R$ G2 P/ f x" i% S 前言/序言
$ @; V$ }$ \" V L 迄今为止，人类一直在对各种农作物、家畜及鱼类的品种进行改良，而其中的绝大多数，都是以偶然发生的基因变化为契机，通过长年累月的重复交配，一点一滴积累而成的。% x+ f; ~3 l! V" N0 U; V
本书所介绍的基因组编辑（genome editing），说白了就是一种能够“瞄准”某个目标基因，单独对其进行精准操作（修改）的技术。通过这种技术，能够相对轻松地实现“改变特定基因的工作方式”这一目的。换句话说，借助这种技术，我们就有可能改变某种生物的特定基因，将其转变为另一种形式，对人类的未来而言更有利用价值。这也意味着与以往相比，我们完成品种改良所需的时间将大幅度缩短。要知道，就在几年前，这项技术还被当作天方夜谭。身为一名普通的研究人员，时至今日我仍时常为此感到震惊。
/ K5 C; W4 X" t 早在30年前，研究者们就已经开发出了“在确保特定基因不受影响的前提下进行操作”的技术。我在20世纪90年代亦曾远渡重洋，到美国学习这种基因操作技术。若要采用这项技术，仅仅是针对单一基因进行操作，就需要耗费超过一年的时间，并且这项技术无法同时编辑多个基因，动物实验对象到目前为止也只有老鼠。2 y! y1 |6 v$ H9 x4 i
然而到了2010年，基因操作领域突然兴起了大幅度的技术革新，名为“基因组编辑”的技术正是诞生于此时，它能够应用于任何生物品种——无论是小白鼠、植物还是鱼类，甚至人类都可以使用，而且成功率非常高。利用基因组编辑技术，研究人员能够以十分之几的成功率改变目标基因，并且更为重要的是，任何具备了基因工程基础知识的科研人员，都能比较轻松地完成此类操作。
+ K9 w+ b, n. t4 E ●技术本身简单易行7 T5 A( g0 d* e( H% d
●成功率高
5 x& k& X2 ~, ^: \ ●能够适用于各种生物1 G! X7 i0 ]& ?- ]
在此之前，几乎从未有过任何生命科学技术能同时具备上述三大优点。我从事基础研究至今已有25年时间，而这项技术，应该可以称得上是这些年里诞生的最具革命性的生命科学技术了。
* v+ W9 |7 H+ P4 z6 B: Q8 e 如今在日本，科学家正利用基因组编辑技术进行各种研究。比如，我们希望能培育出移植了人类的各种细胞但极少会产生免疫排斥反应的猴子。而实现此类成果的唯一方法，就是在受精卵阶段对猴子的基因进行修改，也就是进行基因组编辑操作。/ L+ M: h0 C W' Z* _
虽然在此之前，也有具备相同性质的实验动物——诸如小白鼠之类的——存在，并被频繁应用于人类细胞移植等医学研究中。但就算同样是动物，与小白鼠相比，猴子这种与人类更加近似的大型哺乳动物的价值自然是大不相同的。能够利用基因组编辑技术进行人类细胞的移植，这在医学研究领域属于划时代的突破。, |3 X0 A! P6 H4 G" A4 R
基因组编辑技术确实促进了医学研究的发展。但与此同时，我们也必须强调以谨慎态度对待它的必要性。
7 n& G" t$ ?* u/ ]" [0 n 本书介绍了一项针对真鲷（red seabream）的研究，通过抑制肌抑素（myostatin）这一基因的功能，可以增加真鲷的肌肉含量。其实，我们人类同样具备该肌抑素基因，所以在理论上，借助几乎完全相同的技术，通过抑制肌抑素的功能，我们完全有可能制造出肌肉发达的人类。因此，如果这一新兴技术被滥用，将有可能造成极为严重的后果。
8 S' @ X. w. ` w( p 自2015年年初开始，陆续有消息称中国的研究人员已经开始了针对人类受精卵的基因组编辑实验。关于此类研究，从伦理角度需要克服的障碍非常多，因此大家都只将其当作谣言。然而没过多久，就有中国的学术期刊发表了针对人类受精卵进行基因组编辑的论文。
3 B5 t4 Z7 g8 U* R# A/ ] 该论文介绍了一项对异常受精卵（即3原核受精卵）进行基因组编辑的研究。所谓异常受精卵，是一种通过体外受精的方法制造产生的、无法正常发育的受精卵。这项研究考察了基因组编辑的效率以及发生不符合预期的变化的概率，属于基础性研究，但却是有史以来首次公开使用人类受精卵进行基因组编辑的研究。; T; H6 Q, \2 p7 w. h0 `! v
对于将基因组编辑应用于人类受精卵，大多数研究者都已达成共识，认可“不能用于临床”以及“接受过基因组编辑的人类受精卵不能用于孵育新生命”这两大原则。然而，对于上述中国论文那样的基础性研究，大家的态度仍存在两级分化。
. {: i q/ U! t5 | 不乏有研究者认为，使用人类受精卵是为了考察基因组编辑技术的效率和安全性，进行此类基础研究是没有伦理问题的；但与此同时也有观点指出，在包括普通民众以及有可能受惠于基因组编辑的患者在内的全体社会成员——而非仅限于研究者——进行成熟的讨论之前，以人类为对象的所有应用——包括基础研究，都应该停止。, t. U5 j! W( V4 m4 v H- l
事实上，在医疗第一线，针对体细胞的基因组编辑技术已经进入了临床应用阶段。以针对HIV（human immunodeficiency virus, 人类免疫缺陷病毒）感染者的治疗为例，取出患者自身的血细胞，对其进行基因组编辑，然后重新输回体内。这一行为的目的仅限于对患者自身进行治疗，并不会传递给子孙后代，因此与对受精卵进行基因组编辑是完全不同的概念。在医疗领域，诸如此类针对体细胞的基因组编辑应用正处于高速发展期。. t7 F4 T8 F( b p
在癌症治疗领域，基因组编辑同样能够发挥重要作用。人类拥有超过两万种基因，利用基因组编辑技术，研究者能逐一考察每一个基因的功能，从而了解其中哪些基因与癌症病变密切相关。迄今为止，我们一直使用相同的药物来治疗各种不同的癌症。而今后，我们希望能够根据不同的癌症所涉及基因的不同，为每位患者分别开发出对症的药物。
4 `' {" Y0 x, n' L" T3 f$ q, l 在我们iPS细胞研究所，同样有不少研究者已经开始将基因组编辑技术引入研究工作之中。以下将简单介绍为了治疗肌营养不良症（又称为肌肉萎缩症，muscular dystrophy）而进行的研究，这一疾病由基因异常所引起，症状是全身肌肉逐渐丧失力量。
# |* Z5 r/ e4 _- Z% g0 d' \ 首先，研究人员利用患者的体细胞制造出iPS细胞（诱导多能干细胞，induced pluripotent stem cells），该iPS细胞同样存在基因异常。然后，我们利用基因组编辑，成功地在iPS细胞阶段对该异常基因进行修复。iPS细胞具有近乎无限的增殖能力，因此可对已完成基因异常修复的iPS细胞进行大量复制。而后，以这些iPS细胞为基础制造肌肉细胞的步骤也获得了成功。接下来的研究目标，则是如何将这些已经修复了基因异常的肌肉细胞移植回患者体内。为了实现这种结合了基因组编辑与iPS细胞的细胞移植疗法，研究者们正在全力以赴地工作。该事例在本书中将有详细介绍。
: C+ K5 w3 ~* o) ?7 w/ y0 r5 U' i 除了肌肉之外，在血液疾病的治疗领域中同样有可能用到基因组编辑技术。有大量患者因为某个基因的异常而无法生成血细胞。制造出源自这些患者的iPS细胞，然后利用基因组编辑对其中的异常基因进行修复，最后将iPS细胞大量转化为血细胞并输回给患者。诸如此类的研究也正在如火如荼地进行。
8 B/ ?3 ]1 S# l! M0 ^ 基因组编辑是一种不逊于iPS细胞的技术，是一种拥有广阔前景的技术。
+ ? |+ x+ U, ^4 z9 |( w 然而，无论什么科学技术，都有利弊两面，或许这就是所谓的“双刃剑”。对于基因组编辑这项伟大的技术，若我们专注发展其有利的一面，应该能让人类的生活越来越幸福；然而，若放任其有害的一面发展，则人类必将陷入悔不当初的境地。
% H& I4 i- M3 l; ?4 s' I 改写人类的设计图谱，这在5年前还被当作科幻故事，如今却已成为可能。然而，我们究竟该如何利用这项崭新的技术？仅仅依靠科学家是不足以回答这个问题的。我认为有必要对此展开一场广泛的讨论，让除了科学家之外的生命伦理学研究者以及普通民众都参与进来。
. l* S- g7 {# n8 |1 t/ t& P6 e& g4 R7 H% f3 N2 `! z: N0 ]
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