基因剪刀:走在生命的最前沿

2020年12月

詹姆斯·纳顿,自由撰稿人

2020年10月7日,诺贝尔化学奖授予德国柏林马克斯-普朗克病原学研究室主任埃马纽埃尔·沙尔庞捷教授和美国加利福尼亚大学伯克利分校的珍妮弗·安·杜德纳教授,“以表彰她们的基因组编辑方法”。她们发现的CRISPR-Cas9“基因剪刀”是本世纪迄今为止最重要的科学发展之一。这种技术能够改变农业和医学,甚至能够治愈亨廷顿病、囊性纤维化等遗传性疾病和某些类型的癌症。但是,正如研究人员自己所认识到的那样,它也提出了复杂的伦理、专利和政策问题,而这些问题才刚刚开始探讨。

珍妮弗·安·杜德纳教授(左)和埃马纽埃尔·沙尔庞捷教授(右)因发现CRISPR-Cas9“基因剪刀”而共同荣获诺贝尔化学奖,这是21世纪最重要的科学发展之一。(图:KEYSTONE/dpa/Alexander Heinl)

沙尔庞捷教授和杜德纳教授的合作,使她们分别在病原菌和RNA干扰方面的专长结合起来。这一合作始于2011年,按照沙尔庞捷教授的说法,是“短暂而密集”的,但其影响却将在今后的多年中持续下去。她们的主要成果是确定了CRISPR(一种在细菌DNA中发现的天然防御机制)和Cas9(一种酶)可以被用来在任何一点上切割DNA分子。

正如诺贝尔化学委员会主席克拉斯·古斯塔夫松教授在瑞典皇家科学院发表的一篇论文 pdf中所解释的那样,“这项技术的发展使科学家能够修改多种细胞和生物体的DNA序列。基因组操作不再是实验瓶颈。如今,CRISPR-Cas9技术已广泛应用于基础科学、生物技术和未来疗法的开发中。”

常用术语

DNA: 脱氧核糖核酸,一种存在于所有细胞中携带遗传指令的分子。

RNA: 核糖核酸,一种单链分子,有时被称为DNA的“表亲”。

CRISPR: 有规律排列的成簇短回文重复序列——重复化DNA序列的排列。

Cas: 切割病毒DNA的CRISPR相关蛋白。总共有93个,其中一个是Cas9。

TracrRNA: 反式激活CRISPR RNA,促使CRISPR序列创建的长链RNA成熟为活性形式。

塑造生物系统的革命性工具

“CRISPR-Cas9 pdf是一个强大的工具,它使基因编辑变得更快、更准确、更便宜、更容易操作。它可以应用于很多方面,包括人类医学、农业和生物燃料等,是一项具有社会颠覆性的技术,”英国剑桥大学法律、医学和生命科学中心主任凯茜·利德尔博士说。根据世界卫生组织人类基因组编辑(HGE)登记处的数据,截至2020年10月,有115项使用人类基因组编辑技术的临床试验正在进行中,其中包括镰状细胞病和β地中海贫血等分布广泛的遗传疾病。2020年3月,第一个CRISPR-Cas9基因疗法被施用于患有被称为LCA10的罕见疾病的人,这种疾病会导致儿童失明,目前没有其他治疗方法。在上述情形下,该疗法被用来去除导致这种疾病的基因(CEP290)突变。

但CRISPR-Cas9也导致了一些不太有利的头条新闻,其中包括一场漫长的(尚未解决的)专利战和关于“设计师婴儿”的伦理辩论。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校法学院的雅各布·舍科教授表示,这反映出CRISPR-Cas9是“过去40年生物技术领域最重要的进步”这一事实。“它允许科学家、研究人员和开发人员精确编辑活细胞的基因组。换句话说,你可以编辑使我们存活的软件,”他补充道。

负责任的发展

两位诺贝尔奖得主很早就意识到了自己发现的重要性。杜德纳教授曾谈到,在2014年的时候,她就感到参与公共伦理辩论的责任越来越大。2020年初,她对《金融时报》说:“我们需要思考一种强大的技术可能带来的更广泛的影响,还要思考如何以负责任的方式来开发这类技术。”她帮助建立了位于美国加州伯克利的创新基因组学研究所,目前担任该研究所主任和治理委员会主席。该研究所致力于推动公众的理解,为更广泛的社群提供资源,指导基因组技术以符合伦理的方式使用。

2018年11月,中国科学家贺建奎宣布使用CRISPR-Cas9创造了基因编辑的双胞胎女孩,这时伦理问题凸显出来。其他科学家谴责了这项研究——包括杜德纳教授,她立即飞往香港(特别行政区)进行调查。后来,贺建奎被他所在大学开除,并被处以罚款和三年监禁。

基因组操作不再是实验瓶颈。

这个案例在很大程度上算是节外生枝的情况。贺建奎的研究既不规范,也未发表,甚至在科学上也不可信(他声称基因修改后的胚胎会具备艾滋病毒免疫力,但遭到广泛质疑)。舍科教授指出,关于编辑人类胚胎以避免遗传疾病或有利于某些特征的伦理辩论并不新鲜,自20世纪70年代引入体外受精以来就一直存在。“对CRISPR-Cas9的一些担忧被过度夸大。它与现在所做的事情没什么两样,”他认为。

利德尔博士对此表示同意,她说:“例如,在英国,我们一直记录着围绕伦理上有争议的问题所开展的广泛而务实的讨论,这些问题包括试管婴儿和产前筛查等。重要的是,对于可遗传基因编辑是否会对社会或人类价值造成真正危害,必须认真研究这方面的论证。”在许多国家(包括英国),体外受精研究事宜由一个公共机构来监管,这样就可以在新问题出现时进行辩论并加以解决。

专利制度的作用

CRISPR-Cas9引发的伦理问题并不限于人类种系编辑。鉴于其改变生物系统的潜力,还存在以下问题:谁来决定如何使用该技术,由谁来使用,以及哪些用途是安全的、可被社会接受的?哪些研究应优先进行?在尤其基于公共支付的卫生系统中,如何确保公平地获得改变生命的疗法(这种疗法每次治疗可能要花费数百万美元)?修改作物或燃料的基因对农民和农业工人有什么社会和经济影响,这类用途对生态系统有什么影响?

其中一些问题不可避免地涉及到专利制度的作用,而专利制度的目的是激励创新,造福整个社会。在过去的十年中,研究人员已经申请了数千项涉及CRISPR技术的专利,这表明专利在吸引和鼓励技术研发投资方面的重要性。正如杜德纳教授本人指出的那样:“有一个巨大的知识产权层已经被开发出来。一旦有了有价值的产品,这个知识产权层将来如何发挥作用就很值得关注。”标准机构MPEG LA甚至提议建立一个CRISPR-Cas9联合许可平台(或专利池),以促进相关专利技术的获取。

研究过程回顾

1953年: 克里克和沃森确定了DNA的分子结构。

1987年: 石野良純确定了原核生物DNA中的重复结构。

1993年: 弗朗西斯科·胡安·马丁内斯·莫希卡创造了CRISPR一词。

2005年: 莫希卡提出,CRISPR提供了对外来DNA的防御。

2008年: 埃里克·松特海默尔和卢西亚诺·马拉芬尼确定CRISPR机制为基因编辑工具。

2011年春: 微生物学家埃马纽埃尔·沙尔庞捷和生物化学家珍妮弗·杜德纳在波多黎各的一次会议上见面并首次讨论了CRISPR-Cas9。

2012年6月: 沙尔庞捷教授和杜德纳教授等人在《科学》杂志上发表了研究报告,题为“一种可操控的双RNA向导DNA内切酶用于适应性细菌免疫”。

2013年3月: 维也纳大学和加利福尼亚大学提交了一份美国专利申请,题为“RNA导向的靶标DNA修改及RNA导向的转录调控方法和构成”(优先权日期为2012年5月25日)。沙尔庞捷教授和杜德纳教授均列在发明人之中。

2012年12月: 布罗德研究所张锋发表论文,表明CRISPR在真核细胞中起作用,随后申请美国专利。加州大学伯克利分校和布罗德研究所之间在美国专利商标局的一系列专利干扰案开始,最新的判决于2020年9月公布。

2020年10月: 沙尔庞捷教授和杜德纳教授“因开发出一种基因组编辑方法”被授予诺贝尔化学奖。

专利战接踵而至

沙尔庞捷教授和杜德纳教授于2013年在美国提交了她们的第一份申请,并通过《专利合作条约》(公布号是WO/2013/176772)扩展到许多其他国家。自2015年以来,加州大学伯克利分校和维也纳大学(专利申请人)一直在美国专利商标局对美国的布罗德研究所进行专利干扰程序,以确定其申请的有效性。各方当事人在其他司法管辖区也有纠纷。目前纠纷尚未结束——正如舍科教授所说,有可能在法庭上进一步斗争。“其中一个大问题是,为什么这些纠纷没有得到解决,是哪一方不愿意和解。这其中的利害关系非同寻常,我们可能会看到一场关于谁先发明了‘单向导RNA’的全面审判,各有关科学家都会提供证词,”他说。

到目前为止,也许令人惊讶的是,专利纠纷涉及的是关于范围和优先权的问题,而不是可专利主题的问题。正如英国伦敦玛丽女王大学玛丽女王知识产权研究所所长邓肯·马修斯教授所说,专利制度是CRISPR-Cas9等技术“整体治理的组成部分”。具体来说,许多专利法都有可专利主题的道德或公共秩序排除条款。这些排除条款在各国专利法中都有规定,并在产权组织专利法常设委员会编拟的一份文件pdf (最近一次更新是2020年4月)中论及。“我认为,欧洲专利局的专利审查员做得很棒,他们被要求适用道德例外,没有直接拒绝申请,而是允许对基因组编辑的构成或载体系统(交付方法)提出权利要求。他们是在按法律所述适用法律。”马修斯教授说。他召集了一个专利和基因组编辑专家小组来研究这个课题。“在其他专利制度中,现在谈论[如何解释排除条款]可能为时过早,我们还没有看到关于道德或自然产品方面例外的争议。”

我们需要思考一种强大的技术可能带来的更广泛的影响,还要思考如何以负责任的方式来开发这类技术。

珍妮弗·安·杜德纳

专利作为一种技术治理机制

马修斯教授认为,对于专利局是否会允许基因组发明获得专利,应该开展更多的工作。“到目前为止,专利基本上没有出现在关于人类基因组编辑的辩论中。我很高兴最近应邀在世界卫生组织专家咨询委员会上作证,该委员会正在考虑将专利作为人类基因组编辑治理的组成部分。”世卫组织国际专家小组成立于2018年12月,并于2019年7月发表了一份关于治理和监督的声明

马修斯教授指出,专利制度可以成为一种手段,防止偏离主流的研究:“以负责任的方式使用专利,可以通过伦理许可制度阻止不受管制的使用。”

沙尔庞捷教授和杜德纳教授的这一发现揭示了DNA分子可以通过CRISPR(存在于细菌DNA中的一种天然防御机制)和Cas9(一种酶)在任何一点上被“切割”。(图:© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

大胆的未来

虽然基因编辑的细节在新手看来可能很复杂,但科学家说CRISPR-Cas9工具相对简单,这使得全球各地的研究人员可以在广泛的领域中使用它。尽管有广为人知的专利战,“学术界对CRISPR的研究在过去几年已经取得长足发展,”舍科教授说。“限制CRISPR的是人类的想象力,”他指出。

两位诺贝尔奖得主为这项研究做出了巨大贡献,她们每个人都被列入数十项专利申请。沙尔庞捷教授将知识产权许可给了生物技术公司CRISPR Therapeutics和ERS Genomics,而杜德纳教授则与别人共同创立了Caribou Biosciences、Intellia Therapeutics和Mammoth Biosciences。“这是诺贝尔化学奖首次由两位女性共同荣获,她们将成为一种激励,特别是对世界各地喜欢科学的女孩来说,”利德尔博士表示。

限制CRISPR的是人类的想象力。

雅各布·舍科

她们的工作启迪了数百名其他研究人员发表关于CRISPR-Cas9在许多生物体中使用的论文。科学家还在研究Cas12a和Cas13等其他CRISPR相关系统的潜力,包括用于检测和治疗2019冠状病毒病。其中一些研究使用了强大的人工智能工具,包括机器学习和深度学习,以提高可预测性,减少脱靶效应。现在距沙尔庞捷教授和杜德纳教授开展具有里程碑意义的合作不足十年,已经取得了巨大的进步——更多的成就看来指日可待。

《WIPO杂志》旨在增进公众对知识产权和产权组织工作的理解,并非产权组织的官方文件。本出版物中所用的名称及材料的呈现方式,不意味着产权组织对于任何国家、领土或地区或其当局的法律地位,或者对于其边界或边界线的划分,表示任何意见。 本出版物不反映成员国或产权组织秘书处的观点。 提及具体公司或具体厂商的产品,不意味着它们得到产权组织的认可或推荐,认为其优于未被提及的其他类似性质的公司或产品。