Church谈基因编辑和治疗（下） 「达摩院」George-香港X科技创业平台
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在今年MIT-CHIEF麻省理工学院中国创新与创业论坛中，基因编辑与基因治疗可以说是最热门的话题之一。11月19日，哈佛Church Lab基因工程学家George Church在MIT-CHIEF 麻省理工学院中国创新与创业论坛进行闭幕演说。HKX业务拓展总监Tony Chen参与了麻省理工学院中国创新与创业论坛并与George Church 进行了交流。
本篇为演讲实录的下篇，上篇内容请点击：
「达摩院」George Church谈基因编辑和治疗（上）
| 演讲实录 |
我想给你们举三个例子来说明基因研究在什么方面可能影响你们。我建议你们都做一次基因组测序——在座的有多少人已经有自己的序列了？我指的是整个基因组，而不是某些碎片序列。好的，你们之中已经有一些人这么做了，这很不同寻常。这样做的人，就算是在一群受过良好教育的投资者里面大概也只占百分之一。
我们来看这一对双胞胎。在他们年幼的时候，他们几乎无法正常站立，或把注意力集中到任何事情上，也没办法正常上学开讲啦吴京。他们当时被误诊为脑瘫，而在经过简单的基因组测序之后，才发现是其中一个基因受到了损坏。这意味着他们的症状其实是受到两种非处方营养补充剂的影响。我不明白为什么这两种药剂可用作营养补充剂，但事实上他们是药性较强的脑部药物。检测出这样的基因损伤并停止用药后，他们恢复了健康的青少年生活，而在我上次见到他们的时候他们看起来很好。
第二个例子是一个叫John Laueman的记者。他从外表上看起来是健康的，然而他的视网膜存在着一些问题，在他正常视线范围内会产生盲点和暗点从而影响视觉，伴随着大腿疼痛。他首先尝试了标准遗传学诊断，也就是通过猜测诊断某种遗传疾病，然而因为选择了错误的基因而失败了。接下来我们为他做了完整的基因组测序，从而找到了真正引起疾病的JAK2基因，并为他配了简单的阿司匹林作为口服治疗药物。他接下来的一生都要服用阿司匹林，但相比起下一个例子来说这也是比较轻松的决定了傲世仙医。
这则是一个相对困难的抉择，相信你们都也听说过。这是安吉丽娜·朱莉。她并没有真的患上疾病，她的身体里并没有肿瘤块，乳房X光检测结果也呈阴性。然而，她的基因检测诊断显示她的癌症的几率高达87%。她最终决定接受预防性手术，通过把身体有癌变倾向的部分切除让患病的几率从87%降到了5%。
在有些案例里，患者需要的并不是切除身体器官，而是相应的器官移植。一直以来，器官移植都需要捐助者和接收者的高度契合，因此最初的移植是在同卵双胞胎之间进行的。我们必需非常谨慎地配对，因为每一对都涉及到一套非常复杂的抗原。
但这一切都因为基因工程的发展改变了，现在的我们能够通过添加或者删减基因来设计并改动捐助者的细胞。删减涉及到基因编辑，而编辑可以通过ZFN，TALEN或者CRISPR Cas9蛋白质来实现。所有这些编辑方法都可行且已被成功实践。
这样的例子包括改变T细胞的基因结构，使得他们不仅具备侵袭B细胞恶性肿瘤的能力，还能逃避免疫系统和化疗剂的攻击。我们可以通过改变人类白细胞抗原(HLA)和细胞程序性死亡分子-1(PD-1)等方式来设计这个功能，由此保证化疗剂只会攻击目标B细胞而跳过同样在破坏B细胞的T细胞。
这意味着什么？一个普通的捐献者无需完全关联匹配就能将自己的细胞和器官捐献给任何一个有需要的患者。
更近一步来看待这个问题时，我们不仅能实现人类和人类的细胞匹配，还能拓展出猪细胞到人类细胞这个可能性。这并不是一个新的领域，已经存在了二十年左右。我们的团队因为协助发明了CRISPR而被邀请到这个研究里。在进行了二十余年的研究后，这个领域由于所牵涉基因数量之广而遇到了巨大的阻碍。自加入以来，我们已经改变了数十个基因，涉及了免疫反应，细胞表面的糖蛋白，血液成分和补体凝血系统我是衙内。
在最初期，我们还改变了62个为内源性病毒的基因，否则病毒会通过移植的器官进入免疫抑制的患者体内。病毒通过移植器官从猪细胞入侵人类细胞，并有潜力发展出针对人类的致病性，这是能发生的最坏的情况，也是美国食品药品监管局(FDA)和很多研究团队对其感到不安的原因。
通过最新的基因编辑器，我们一次性剔除了62个基因，总共花费了两个星期的恒温和少量的聚合酶链化反应(PCR)。这比我们的预期要简单迅速很多，创造了CRISPR编辑的新纪录。第一轮实验是在转化细胞里完成的，对比活细胞技术上相对简单，因此我们又将同一个实验在性成熟的猪细胞里重复了一遍。总结起来，我们的目的是改造猪身体里每个主要器官里的每个组织里的每种细胞类型，以满足现今移植器官的需要。如果成功，将会有数以百万计的人受益。
但对我来说也很有趣的是，我们不仅能为这百万人口有解决器官移植的问题，还可以通过这个方法开始提高器官的能力。增强身体机能并不为传统医学所奉行，但如果你准备把器官移植到一个患绝症的人的身上，比如说把肝脏从猪身上转移到一个肝炎患者身上，那么新移植的器官最终也会感染炎症。因此，你会想要让被移植的器官有抵抗患者身上可能存在的问题的能力，包括病原体和癌变衰老。我们甚至想要造出可冷冻保存的器官——我们在青蛙和松鼠上有过类似的例子，并知道这并不是随便就能着手做的一件事，需要特殊的预备工作和通过生物合成创造出的适应环境。
在这个阶段，当我们说起精准医学的时候，我们可以把他当成一件非常昂贵的东西来谈论。临床试验的价格是固定的，但有只有少数人对其有需求，而医疗越精准，目标人群也就越小。最终你可能会像我之前说的那样，一生中在这些罕见药上面花费上百万美元。
当今有很多平等分布的技术的例子，但如果你真的想要把一个全新的技术带入市场的话，你必需先有一个足够大的市场和价格足够低廉的药品。
而我认为，至少在发达地区，最大的市场是抗衰老产品。在全球发达化的期望下，我们都会死于不会在20岁就致死的疾病。然而，我们无法逃过的是衰老带来的疾病，而我们必需做些什么来应对。而且我觉得这是一个挺大的悲剧，像我一样的人要经过六十年才能得到合适的训练，而当我终于到达这里后我当然不想就这样撒手人寰。
对于这个问题，我们有两种广泛方法来应对。我们可以逆转衰老，或者我们可以延长寿命。从科学和监管的角度上来说，长寿是一种较为困难的方法，因为延长一个三十年寿命则需要三十年的临床实验来获得相关的监管批准。这并不是一个好的出发点雾中楼影视。而衰老逆转从原则上来说只需要数周就可以在动物模型，例如某些研究记录里的老鼠模型，身上获得逆转老化的迹象。在短短几周人，你可以看到力量，认识力，和最主要的对伤害的应对和修复上的改变。
我们已知衰老主要有大约九种途径，包括线粒体，崔景富端粒，血液成分，衰老细胞的排除，等等。这九种途径由Pedro De Magalh?es数据库中的搜索到的三百多个基因来表现，这个数据库现在由我实验团队中的一个博士后在利物浦维护。
所以现在已经有很多人类和动物的基因被转化成基因治疗的目标。同时，我们认识到当今基因治疗通过腺相关病毒载体(AAV)实现的限制和优势。现在已经存在很多可用的AAV，而同时我们还在通过机器学习算法开发成百上千的载体变种，以做出更好的治疗方案。
举一个很快的例子，我们开发了一个CRISPR的变种，具有转录激活和基因编辑的功能，可以添加，删减，精确编辑或者改变表观遗传。我们的目的是让CRISPR不再是一个切割功能的核酸酶，并加入表观遗传激活这样的新领域。我们尝试激活了四个不同的区域，T1到T4，而只有其中一个区域有良好的反应。
我们现在是在尝试对抗衰老。在衰老的过程中，你会失去你NAD和NAD+的正常比例，大约会下降两倍左右。我们可以通过修复转录激活剂恢复部分这个途径，但我们只能做到将其恢复48倍，也就是说八倍NAD和NAD+比例，这比我们想要达到的两倍大的多。
这个研究被拓展到鉴别不同的细胞种类。我们在人类Titin基因上做到了两万倍的激活反应，但这还不足够。我们尝试把如图蓝色的干细胞改变成红色的神经元，但这只是7%的变化。
与此同时，用转录因子代替CRISPR/Cas9则可以把其上升到98%，而我们也终于建好了一个包括人类所有转录因子的因子库，并将通过Addgene这样的非营利性组织免费开放给大众。他们可以被几种不同的基因载体表达出来，包括我之前提到的AAV，慢病毒和PiggyBac转座子，也可以通过荧光标记细胞来进行分选排序。
我们可以通过分选找出丢失了某个分化标记的细胞或序列。这个分选方法采用的是干细胞标记，而当干细胞被分化成神经元，或经历任何其他的改变时，就会丢失这个标记。
接下来我要放一段短片，其中左边显示的是血管的内皮细胞，而右边是神经元。他们的起始状态和时间都是相同的，都是从干细胞分化而成。短片里显示的是他们三天内非常迅速的变化，你可以忽略掉很多步骤，但大体上你可以看到内皮细胞正在形成一层平滑的表面，而神经元细胞则是形成了这些长梭形的结构，轴突和树突，并逐渐组成神经网络。
所以，从同样的起点，我们可以取得对大脑十分重要的血管的内衬组织，以及大脑里的神经组织。我们想要把他们融合成一个包含大脑所有重要组成部分的类似结构，包括小胶质细胞和大胶质细胞，以及用许多脂质层包围轴突，让其能够迅速传导信号的寡突细胞。
然而这里我们想显示的是，我们能够在神经元中混入内皮细胞，这是我们以前无法做到的事情，解决了类器官研究中的一个重大局限。而且他们不仅仅能够被混合，还能形成类似血管的长条形带有内腔的小管。这些血管化的组织有着很重要的价值，因为在从前，制造出超过半个毫米大的器官是非常困难的一件事，而这样的尺寸对比像心脏，大脑和肾脏这样的器官来说根本不足为道。现在我们找到了制作血管化组织的方法，便有希望能制造出正常大小的器官。
很多这些技术牵涉到不同的道德伦理问题，而我们会努力在其他人之前提出这些问题。这种情况在制造胚胎和大脑类结构时经常出现，就如我们近期在eLife期刊上提起的一样。
但以下是把这些研究结果应用到现实和临床上的例子。我们有一个患心脏问题的婴儿患者，而我们想找出造成这个问题的遗传因素。我们采取了一次更换一个单独的碱基对的方法制造出了两个不同的心脏，一个是正常的，另一个则有一个碱基对的变异。理论上来说，我们可以制造很多轮变异来测试我们的假设，但我们主要的目标是分析去除X染色体上的一个G核苷酸对TAZ基因的影响。
我们首先对基因序列做出去除单个碱基对的改变，然后用完整的基因测序来检查我们的成果。这听起来很奇怪，但我们的确会测序六十亿个碱基对来验证单个碱基对的删减。
这是序列的改变，而之后要进行的是表观遗传的改变，以实现从干细胞到心脏细胞的分化。像你们之前看到的一样，干细胞可以分化为血管组织和神经元，而我们同样可以让其形成类似心脏的结构，并自发地进行收缩。
单个碱基对的改变会让这个结构产生形态上和生理上的异变，而通过研究这方面的变化我们能够找出造成问题的碱基对。Bill Pu是负责这个临床遗传实验的人，而Luhan Yang则做了大部分的分子生物方面的研究。
而在结束之前我想谈谈如何检查这些类器官结构，看它们是否越来越接近正常的人类器官。最终它们会进步到满足器官移植的要求，但现在它们只能被用来测试新的疗法和原理。我们测试的方法叫做Omics，基因组，转录组和蛋白质组的简称，in situ，意思是在厚层组织的部分。
所以通过上图的仪器，你能看到这个器官或类器官的三维结构。这跟我们协助开发的测序仪器很相似，有着相同的性质，原理和速率。
在这里你可以看到每个点都停留在相同的位置，但颜色在不断的改变。这就是下一代测序的特征，每个点代表着单个的RNA分子，而电脑可以读取这些数据，然后以条形码的形态重新展示出来。四个不同的颜色分别对应G, A, T, C四个核苷酸，并在条形码里代表着某个特定的RNA，在多细胞的背景和亚细胞的精确度下，在细胞里的位置。
这个技术可以应用到DNA，RNA和蛋白质上，而在蛋白质上面我们用的是抗体标签，并能同时使用针对不同蛋白质的多个标签。我们不仅能达到正常显微镜分辨率，还能通过更高级的分辨率探查到正常情况下观测不到的细节，包括多种蛋白质。
接下来的内容都展现在同一张幻灯片上。在这你能观察到（神经组织内）信息传递的方向，从突触前到突触后，是兴奋性还是抑制性圣力皇决 ，以理解大脑是如何工作，以何种形式链接的。这是研究生Yu Wang的项目，他负责了所有的抗体工作。
最后郑秋泓，我们可以把在位于大脑的一边和另一边的神经元跨越很长的距离连接在一起。同样的方法能用来实现这样的长距离连接。上次我过问的时候，Tony Zador和他的合作者已经把这种方法运用到了五十余万个神经元上面，现在也许已经有更多进展。
希望我在某些方面成功启发了你们的思考。作为总结，我们覆盖了跟基因编辑，阅读和写入，基因组，DNA，RNA和蛋白质，器官，甚至是生态系统有关的话题。这些是我和我的合作者们从事过的一些研究项目哈斯卡。非常感谢你们的聆听。
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