基因療法對許多人來說也許比較陌生,，但卻是那些身患絕癥的患者的求生希望,。它不僅給一些幸運的絕癥患者帶來了福音，甚至使他們的生活發(fā)生了全新的變化,。
生物學(xué)家曾經(jīng)對患有自身免疫系統(tǒng)疾病的大約20名男孩采用基因治療,，目前這些患者中的大部分人已經(jīng)過上正常人的生活。而患有同樣疾病的另外20名男孩，則不得不繼續(xù)他們的悲慘生活——由于自身免疫系統(tǒng)不能抵御疾病的侵擾,，必須生活在與世隔絕的無菌環(huán)境中,。
基因療法：幾乎人人都“懂”
那么，什么是基因療法,？
其實,，寫過作文的人都曾使用過“基因療法”。當(dāng)你在修改自己的作品時,，必須校正文中的所有基本錯誤：或者修改某個詞語,，或者增添一個表達準確的全新句子。
雖然生物學(xué)家采用的基因療法的工作機理非常復(fù)雜,，但卻與你曾經(jīng)使用過的文字修改方法基本相同,。只不過，真正的基因療法不是在細胞內(nèi)的DNA鏈條上增加單個基因,，而是必須增加一個全新的DNA片段,，這對技術(shù)精度的要求也遠遠高于普通的文字修改工作。
基因工程所需要的是能夠改變細胞內(nèi)DNA的方法,，這種方法類似于能夠改正錯誤拼寫方式的“單詞校正器”,。如果不小心將英文單詞“標準”拼寫為“nomral”，這種校正器就可以將其校正成正確的拼法——“normal”,。使用特殊的方法,，基因工程就能夠修補變異基因卻不觸及基因組的其他部分，并在準確的位置用正?；蛑脫Q變異基因,，或者植入新的DNA序列。
一個錯誤的句子可以造成整篇文章的混亂,。同樣地,，如果一段錯誤的DNA片段在細胞染色體組中出現(xiàn)在不該出現(xiàn)的地方，也能夠給人體帶來巨大災(zāi)難,，有些情況下甚至可能引發(fā)癌癥,。1999年法國巴黎Necker醫(yī)院的兒童中心曾經(jīng)選擇11名男孩進行基因療法試驗，其中有3名兒童不幸患上癌癥,?？茖W(xué)家分析，可能就是上述原因產(chǎn)生了這種后果,。
實用的基因療法：科學(xué)家30年的孜孜追求
計算機問世以來,，人們修改文章比前輩輕松多了。對許多人來說,，使用粘貼,、復(fù)制手段已經(jīng)習(xí)以為常,。同樣地，“基因片段的切割和粘貼”技術(shù)也是基因工程的關(guān)鍵手段,。
“基因片段的切割和粘貼”技術(shù),，就是從一個基因鏈中“切割”一個基因片段“粘貼”到另一個基因鏈上。30年前科學(xué)家首次在實驗室中掌握了這種技術(shù),。從那時起,，這種技術(shù)突飛猛進。2002年,，美國生物學(xué)家利用基因工程“無中生有”地組合出由7500個堿基對組成的急性骨髓灰質(zhì)炎病毒染色體組,。他們還計劃利用同樣的方法組合出由數(shù)以萬計個堿基對組成的細菌染色體組。
研究人員對于更加具有實用性的基因工程技術(shù)已孜孜追求了整整30年?，F(xiàn)在,，這項技術(shù)開始漸漸“浮出水面”。
正如英國基爾大學(xué)的保羅·艾格萊斯通所指出的：“目前我們正在接近一個新紀元——逐步進入第二代基因移植技術(shù)時代,。”
這種技術(shù)將給人類社會帶來深刻的變化：在動植物新品種培育領(lǐng)域,，可以更容易地培育出更便宜的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物和動物；在醫(yī)藥領(lǐng)域,，新的,、更有效的基因療法以及艾滋病等疾病的新療法也有望問世。更有挑戰(zhàn)性和有爭議性的則是,，它將開啟另一扇激動人心的大門——人類基因工程。
實用性基因療法：準確性為主要挑戰(zhàn)
對于生物學(xué)家來說,，改變細胞內(nèi)的DNA是一件非常困難的工作,。實驗室合成的用于黏合DNA的各種酶都太大，不能進入細胞內(nèi),。為此,，他們不斷探索各種方法。目前對于細菌（例如E.coli）,，生物學(xué)家已經(jīng)能夠根據(jù)需要改變其DNA,，但更為復(fù)雜的其他各種動、植物細胞情況就不一樣,。
例如人類46個染色體中每一個染色體上都包含有60億個堿基對,，這意味著，實現(xiàn)精確地改變DNA是一個巨大的挑戰(zhàn),。
目前大多數(shù)基因工程的手段依然基于上世紀70年代的發(fā)現(xiàn)：將DNA的一個片段移植到動物或者植物細胞內(nèi),，它將隨機地融合到動、植物的染色體組內(nèi),。此后,，科學(xué)家已經(jīng)找到了很多種方法將DNA片段輸送到細胞內(nèi),。無論采取何種方法，最后的關(guān)鍵一步——將DNA片段整合到細胞染色體組內(nèi)的成功與否都取決于運氣,，沒有任何辦法能夠控制新的DNA片段融合在細胞內(nèi)染色體組的具體位置,。
隨之而來，就產(chǎn)生了許多問題,。隨機性整合是一個小概率事件,，在一個細胞內(nèi)發(fā)生的幾率僅是幾千分之一。整合本身就帶來各種各樣的困難,。有時額外的DNA會在另外一個染色體組整合出錯誤結(jié)果,，而這種結(jié)果在最壞的情況下可能導(dǎo)致癌癥。
即使DNA片段正好整合于正確的位置,，這也并不能保證它能夠以人們期望的方式工作,。因為染色體組包含無數(shù)個“開關(guān)”，或者叫調(diào)控因子,。這些開關(guān)分別控制著其周圍基因的活動情況,，在特定的時間或僅在特定的組織中能夠起到“啟動”和“關(guān)閉”的作用。因此,，同一個DNA片段在10個不同的位置可以發(fā)揮10種相互不同的功能,，這是由它附近的調(diào)控因子所控制的。
艾格萊斯通說：“同一個基因可以產(chǎn)生不同的活動方式”,。研究人員認為,，在法國接受基因療法試驗的3個男孩之所以患上癌癥，并不是因為被植入的新基因放置在錯誤的位置,，而是因為它們太活躍了,。
基于上述原因，對于基因工程技術(shù)來說未來依然有很長的艱辛路程要走,，才能夠精確地將DNA片段整合到有機體的染色體組內(nèi),。
第二代基因移植技術(shù)為上述問題的解決帶來了新的希望。因為,，不斷完善的“基因靶標”技術(shù)將能夠使基因療法更加安全,，同時使基因工程對人類社會產(chǎn)生更多的積極作用。
上世紀80年代,，分子生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了同源重組技術(shù),，這項技術(shù)曾一度被認為能夠解決上述問題。所謂同源重組,，是利用老鼠胚胎干細胞,，在老鼠DNA鏈條的側(cè)翼植入一個新的DNA序列，活躍的修復(fù)酶有時能夠從老鼠的基因組中將相匹配的基因序列切除,，將新的DNA序列接合上,。迄今為止,，科學(xué)家依然沒有揭開這一現(xiàn)象的真正謎底，這種現(xiàn)象的概率非常小,，在10萬個細胞中僅能發(fā)生一次,。
同源重組技術(shù)的出現(xiàn)及其不斷發(fā)展，使基因工程目前能夠精確地控制老鼠的基因組,。歐盟制定了一個專項研究開發(fā)計劃,，對老鼠的2萬個基因進行深入研究，這些基因的數(shù)量占老鼠總量的2/3,。歐盟計劃在3年內(nèi)生產(chǎn)出2萬個轉(zhuǎn)基因品種,。
但是，當(dāng)生物學(xué)家利用同源重組技術(shù)對其他動物進行研究時,，得到的結(jié)果非常不盡人意,。他們發(fā)現(xiàn)，除了老鼠的胚胎干細胞之外,，同源重組現(xiàn)象在其他動物的細胞中相當(dāng)罕見,。
現(xiàn)在，生物學(xué)家正在研究多種新的技術(shù)手段,，以實現(xiàn)對活細胞DNA的準確改變,。而這些技術(shù)手段的效率遠遠高于初期“同源重組”技術(shù)的效率，在最好的情況下,，可以在15個細胞中成功實現(xiàn)一次,。
其中的一種方法是利用那些感染細菌的病毒。在催化重組酶的作用下,，這些病毒能夠在特定的靶點位置實現(xiàn)基因整合,，從而對宿主細胞的DNA進行精確的改變。
催化重組酶能識別兩種不同的靶序列：第一種是宿主細胞DNA的濾過性毒菌DNA序列,，第二種則是位于宿主細胞基因靶點位置的DNA序列。催化重組酶在宿主細胞DNA鏈的兩側(cè)進行切割,，然后將新的DNA序列植入,，再將整段DNA鏈條黏合起來。催化重組酶的這種能力為基因工程技術(shù)提供了巨大的發(fā)展?jié)摿?。生物學(xué)家只需將第一種目的DNA序列植入到其他DNA鏈條的任何片段中,，催化重組酶就能夠?qū)⑺c那些包含第二種DNA的所有片段整合在一起！
然而,，由于大多數(shù)動,、植物的基因組中并沒有第二種靶序列，基因?qū)W家對此提出了一個解決方案：如果一種有機體本身沒有一種靶序列,，可以利用“隨機整合法”為其增加這種靶序列,。也就是說,，生產(chǎn)出一種靶序列存在于適當(dāng)點位的動物，使其繁殖后代,。然后,，就可以根據(jù)需要在其后代細胞基因鏈的點位植入其他基因。艾格萊斯通評價道：“這就像一個‘錄音座’,。我們可以精確地知道具體正在發(fā)生的事情,，知道它將發(fā)生的具體點位。”
催化重組酶：基因工程的寵兒
在基因工程領(lǐng)域,，催化重組酶正日益成為生物學(xué)家的寵兒,。
艾格萊斯通一直致力于研究一種被稱為“phiC31”的催化重組酶。他利用基因工程技術(shù)重組蚊子的基因,，使蚊子失去傳播瘧疾的能力,。2005年，艾格萊斯通研究小組成功地培育了幾種攜帶有phiC31靶序列的新品種蚊子,。研究人員利用催化重組酶,，能夠?qū)追N不同的基因植入到蚊子DNA的相同位點，并可以重復(fù)這種操作,，這大大增加了這種研究方法的可靠性,。基因工程學(xué)家可以使用這種方法培育更多的其他動,、植物新品種,。
不過在基因療法中，采用在DNA鏈中預(yù)先植入“錄音座”的方法并不是一個令人滿意的選擇,。然而,，美國斯坦福大學(xué)的米歇爾·卡洛斯給我們帶來了新的希望?？逅乖趐hiC31方法研究領(lǐng)域是一位先驅(qū)者,，她已經(jīng)證實沒有必要采用上述方法。她發(fā)現(xiàn),，phiC31能夠?qū)NA片段植入到宿主細胞DNA的“偽位點”（與真位點相似度僅有30％）,。盡管整合過程的效率較低，但她還發(fā)現(xiàn)很多動物的染色體至少有一個偽位點,。
2002年,，卡洛斯研究小組證明phiC31方法可以用于基因療法。我們已經(jīng)知道,，如果老鼠體內(nèi)缺乏一種被稱為“凝血因子IX”的基因就會患血友病,。研究利用催化重組酶的方法，在老鼠肝臟內(nèi)的凝血介質(zhì)中加入凝血因子IX,，很多實驗鼠的肝臟細胞很快就能夠生產(chǎn)出大量的凝血因子IX,，其數(shù)量足以治療血友病癥狀,。卡洛斯指出：“這是我們所作的第一項研究,，也是第一次在實驗中獲得成功,。此外，我們已經(jīng)利用多種動物成功地完成了類似實驗,。”
現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是,，如何證明人類基因工程應(yīng)用這種方法也將是安全的。在老鼠的染色體組中,，phiC31插入DNA鏈條的整合位點主要有兩個,，但人體染色體組則要復(fù)雜得多。目前,，卡洛斯小組已經(jīng)在人體染色體組中確認了19個主要的整合位點,，而另有82個整合位點的結(jié)果則具有隨機性。盡管如此,，對于隨機植入來說,，人類已經(jīng)了解了101個整合位點的情況，這依然是一種巨大進步,?？逅褂媱潓Υ藢⑦M一步研究，以開發(fā)出新的催化重組酶,，實現(xiàn)更為精確的位點植入,。
近來的另一項研究成果表明，如果phiC31的含量非常高,，則會誘發(fā)人體細胞內(nèi)的染色體重組,，如果人體細胞內(nèi)染色體的隨機重組就會致癌?？逅狗瘩g說,，phiC31所誘發(fā)人體細胞內(nèi)染色體重組并不是隨機的，這種重組只發(fā)生在DNA鏈條上的整合位點,，其中任何一個位點都不靠近那些有可能導(dǎo)致癌癥的基因,。
科學(xué)家已經(jīng)在人體細胞或?qū)嶒炇蠹毎囼炛蝎@得了成功，證明它可被用來治療一些疾病,，例如遺傳性皮膚病、被稱為酪氨酸血癥的肝臟疾病,、人體免疫系統(tǒng)疾病等,。卡洛斯希望她的研究結(jié)果在兩年之內(nèi)能夠開始臨床試驗,，而血友病有望成為第一試驗?zāi)繕恕?nbsp;
對于多數(shù)遺傳疾病來說,，其原因并不僅是缺少正常的基因,，如果正常基因的位置發(fā)生錯誤同樣也可以造成遺傳障礙,。因此,，生物學(xué)家的最終目標是將所有的DNA序列作為靶，而不是僅將DNA傳遞到少數(shù)預(yù)定的整合位點,。這樣,，不僅可以植入正確的“句子”，也可以修復(fù)“拼寫的錯誤”,。
目前,，美國一家生物技術(shù)公司，專門研究設(shè)計“鋅指結(jié)構(gòu)（Znicfingers）”,。在正常情況下,，它存在于大多數(shù)DNA黏合蛋白的次級結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)⒏鞣NDNA序列“鎖定”在一起,。從理論上來講,，利用鋅指結(jié)構(gòu)，科學(xué)家就可以根據(jù)客戶的需要制造出各種蛋白質(zhì),，并將其中植入DNA片段或者其他因子之中,，黏合到所選擇的任何DNA序列上。
基因剪刀：基因療法的新希望
所謂的“分子剪刀”就是核酸酶,，它是把DNA剪切酶植入鋅指結(jié)構(gòu)而得到的,，能夠在一個特定的位點剪切DNA片段。
全球一些研究小組的研究結(jié)果已經(jīng)表明,，如果在剪切DNA片段的同時,，植入新的DNA片段，就會迫使修復(fù)酶起作用,，進而大大加速同源重組的過程,。
有一種變異基因會使人患X－SCID（一種嚴重的免疫缺陷疾病）,。2005年7月,，美國一家生物技術(shù)公司報告，該公司已經(jīng)利用定制的DNA剪刀來校正了這種變異基因,，校正比例達到18％,。該論文在生物工程學(xué)界引起了不小的震動。當(dāng)時,，美國鹽湖城的猶他大學(xué)的達納·卡洛爾認為：“這項研究取得了真正的,、了不起的成果。”此外，該公司還從人體中提取免疫細胞,，利用分子剪刀技術(shù)使這些免疫細胞能夠抵御HIV病毒,，如果再用這些細胞重建患者的免疫系統(tǒng)，將有望把艾滋病控制在初期階段,。論文的作者之一,、美國德克薩斯大學(xué)的馬休·鮑特烏斯認為，這種基因療法的潛力巨大,。
2003年,，卡洛爾研究小組的結(jié)果表明，分子剪刀技術(shù)可以用于果蠅和植物,，對它們進行基因工程改造,。
盡管分子剪刀技術(shù)給基因工程帶來了非常誘人的前景，但它本身也不是“靈丹妙藥”,，也面臨一些需要解決的難題,。
其一是分子剪刀能在一些具體位點對DNA鏈進行剪切，但同時也會造成雙螺旋鏈的斷裂,，這種斷裂會殺死一些正常的細胞,。鮑特烏斯認為，這并不是一個巨大的難題,。解決的方案是在植入之前,，用分子剪刀在體外對細胞進行處理。
另外一個讓人擔(dān)憂的問題是,，如果被剪斷的DNA鏈在修復(fù)時發(fā)生錯誤,，這些細胞就有可能變成癌細胞。目前,，由于沒有將剪刀技術(shù)修飾過的細胞再次植入動物體內(nèi)的成功實例,，還無法確定這種技術(shù)的具體風(fēng)險。但鮑特烏斯依然認為“這是一個可以解決的問題,。”此外,，需要植入的DNA片段越大，分子剪刀的效率就越低,。
毫無疑問,，最理想的方案是將兩種方法的優(yōu)點結(jié)合起來：一、具有瞄準任何預(yù)定DNA片序列的能力,；二,、植入或者除去較大DNA片段的能力。為了實現(xiàn)這個目標,，需要研究一種新的方法,，能夠改變催化重組過程,，以使新的DNA片段黏接到所預(yù)定DNA序列上。
要實現(xiàn)這一點并不容易,，因為催化重組的實際情況相當(dāng)復(fù)雜。英國格拉斯哥大學(xué)生物學(xué)家馬希爾·斯塔科指出,，他的研究小組已經(jīng)成功地改變了一個催化重組過程,，使它可以識別一種原來不能識別的DNA序列。斯塔科認為,，用類似于phiC31的催化重組酶,，來鎖定其他任何DNA序列僅僅是一個時間問題。
基因工程學(xué)家正在帶領(lǐng)人類緩緩邁入生物工程技術(shù)的一個新紀元,。他們在實驗鼠身上獲得了巨大成功,，不久的將來同樣有望在其他物種身上獲得這種成功，其中當(dāng)然包括我們?nèi)祟愖陨?。今后,，基因工程給人類帶來的福音會越來越多，成千上萬人的命運將會因此改變,。
