基因 编辑 是 啥 ？ CRISPR/cas9技术 如何 修改 DNA ？李永乐 老师 讲 基因工程

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师

最近 有 一个 新闻 特别 火

说 是 中国 有 一位 科学家 贺建奎

他 对 一个 人类 的 胚胎 细胞 进行 了 编辑

并且 让 这个 基因 编辑 过 的 人类 胚胎 细胞

成功 的 发育 成 的 两个 小孩

这个 新闻 一出 全世界 舆论 哗然

有 小朋友 就 问 我 说 基因 编辑 到底 是 怎么 一 回事

为什么 一个 科学技术 会 引发 这么 多人 的 非议 呢

今天 我们 就 来 讨论 一下 这个 问题

首先 我们 先 来 说 一下 什么 是 基因

我们 知道 人 是 由 细胞 构成 的

这 是 一个 人

这个 人 他 身体 中 有 细胞

如果 我们 把 这个 细胞 放大

我们 会 发现 细胞 里边 有 一个 很小 的 一个 核

这个 细胞核 它 是 用来 储存 遗传物质 的

如果 我们 再 把 这个 细胞核 放大 里面 会 有 一个 双螺旋 的 结构

这个 双螺旋 的 结构 就 叫 DNA 也 就是 脱氧核糖核酸

假如 我们 把 这个 脱氧核糖核酸 再 进行 放大 的话

我们 会 发现 它 实际上 是 一个 双链 结构

我 把 它 撑 成 直 的

然后 它 有 一个 一个 的 碱基对 这么 对着

脱氧核糖核酸 DNA它 是 由 核苷酸 构成 的

核苷酸 有 三个 部分

其中 有 一个 部分 就是 碱基 这个 碱基 是 互相 对 着 的

碱基 一共 分为 四种 分别 是 A T C G

而且 它们 之间 有 一个 互补 的 对应 关系

就是 如果 这个 是 A 的话

它 对 的 一定 是 T 就是 A 和 T 对应

而 C 和 G 对应 就 这么 一个 关系

所以 假如 说 这个 碱基对 分别 是 AACTG 的话

那么 跟 它 对应 的 关系 A 要 对 T 所以 就是 TTGAC

就 这么 一个 对应 关系

这个 就是 DNA 的 一个 基本 结构

人们 对于 DNA 进行 了 仔细 的 研究 就 发现 了 一件 事

什么 事 呢

就是 人们 就 发现 这个 碱基 的 顺序

其实 就 代表 了 人类 的 一种 遗传 信息 就 称之为 基因 密码

所谓 破解 基因 密码 就是 要 搞清楚 说 这 一段 的 碱基 顺序

AAC 它 表示 什么 它 好像 表示 这个 人 是 个 大 眼睛 是 吧

后面 还有 什么 TTG 表示 什么 表示 这个 人 双眼皮 儿

后面 还有 个 基因 表示 什么 表示 这个 人 是 个 色盲 等等 吧

说 这个 遗传信息 其实 就是 隐藏 在 DNA 的 这个 碱基 的 顺序 之中

人们 就 把 能够 实现 一定 功能 的 这个 碱基 的 序列

就 称之为 一个 什么 呢 称之为 一个 基因

这个 就是 基因 的 含义

那么 这个 基因 是 怎么 去 影响 人 的

为什么 有 的 人 长得 是 这个 红色 的 这个 头发

有人 长 的 是 黄色 的 头发 有人 长 的 是 黑色 的 头发 呢

人们 认为 这个 过程 是 这样 的

首先 这个 DNA 它 是 储存 在 细胞核 中 的

那么 它 不 直接 指导 蛋白质 合成

它 首先 通过 一种 过程 叫做 转录

它 会 生成 一种 单链 的 结构 叫做 RNA 也 就是 核糖核酸

这个 核糖核酸 可以 跑 到 这个 细胞核 外面 去

去 翻译 指导 这个 蛋白质 的 合成 这 过程 称之为 翻译

就是 把 这个 密码 变成 蛋白质 听得懂 的 它 就 会 生成 蛋白质

而 这个 蛋白质 就 可以 作为 我们 身体 的 各个 部分 的 结构

这样 的 过程 就是 DNA 如何 指导 这个 生物 的 结构

那么 基因 的 问题 其实 人们 从 上个世纪 50 年代 就 已经 开始 研究 了

但是 这 一次 贺建奎 所 使用 的 这个 CRISPR 方法

实际上 是 本世纪 才 开始 的

如果 想 了解 CRISPR 方法

我们 首先 还是 要 回到 微生物学

微生物 有 什么 呢

比如说 微生物 有 细菌

还有 什么 呢 还 比如说 有 病毒

有人 可能 认为 细菌 和 病毒 都 是 专杀 人类 的

实际上 不 一定

实际上 有 很多 病毒 是 专杀 细菌 的

这种 专杀 细菌 的 病毒 我们 就 称之为 什么 称之为 噬菌体

噬菌体 它 专门 杀 细菌

在 海洋 里边 每天 都 会 有 40% 的 细菌 会 被 噬菌体 杀掉

如果 没有 噬菌体 的话 那 这个 细菌 就 会 爆发 了

噬菌体 大概 长 什么样 呢 它 长得 很 神奇

噬菌体 它 的 这个 脑袋 长 了 一个 正二十面体 的 形状

然后 里面 有 一些 DNA 它 的 遗传物质

它 底下 会 有 一个 管子 用来 输入 DNA

然后 还有 一些 触手 这些 触手 可以 抓住 一个 细菌

它 会 降落 到 一个 细菌 的 表面

这 就是 细菌 了 上面 那个 是 噬菌体

降落 之后 他 它 就 往 这 打个 洞 然后 把 自己 的 DNA 是 放 进去

DNA 在 细菌 里面 就 会 不停 的 复制

就 会 不停 的 复制 复制 复制 复制 的 足够 多

然后 它 再 长出 它 的 蛋白质 外壳

长出 蛋白质 外壳 之后 那 这个 细菌 没有 利用 价值 了

它 就 会 从 这个 细菌 里面 出来

它 一旦 从 细菌 里面 出来 这个 细菌 就 挂掉 了

然后 它 复制 了 自己 这 就是 噬菌体 一个 基本 的 工作 流程

人们 从 很早以前 早 开始 就 开始 研究 这个 问题

但是 到 了 1987 年 的 时候 人们 有 了 一个 很大 的 发现

1987 年 日本 有 一个 科学家 叫 石野良 纯

石野良 纯 这个 科学家 他 去 研究 细菌 的 这个 DNA 结构

因为 细菌 本身 它 也 有 DNA 对 吧 病毒 有 细菌 也 有

他 研究 细菌 的 DNA 发现 在 大肠杆菌 里面

在 大肠杆菌 里面 这个 DNA 的 结构 非常 奇怪

有 什么 奇怪 的 呢

这个 大肠杆菌 的 DNA 它 在 某 一段 会 出现 重复 的 结构

比如说 会 出现 CGGTT 这样 的 一个 碱基 排序

然后 又 一大堆 其它 的 再 CGGTT

然后 在 一大堆 其它 的 再 CGGTT

它 会 反复 得 出现 这种 结构

那么 他 就 感觉 非常 奇怪 为什么 奇怪 呢

因为 病毒 和 细菌 这种 物体 它 非常 非常 小

所以 它 的 DNA 表达 是 非常 直白 的 它 是 非常 紧凑 而 高效 的

如果 你 出现 了 很多 这种 重复 的 结构

你 表达 同一个 意思 的话 那 你 干嘛 要 重复 它 呢

你 不要 它 不 就 完 了 吗

所以 他 不 清楚 这 是 为什么

后来 人们 在 很多 的 细菌 你 都 发现 了 这种 重复 的 结构

一直 都 不 清楚 这 是 为什么

这件 事 一直 持续 了 大概 有 20 年

直到 2002 年 的 时候

人们 才 终于 搞清楚 了 这个 问题 到底 是 怎么回事

2005 年 的 时候 科学家 才 真正 证实 了 这个 问题

当时 有人 提出 说 这个 细菌 中间 的 这个 重复 结构

可能 是 用来 防御 病毒 的

而 在 2005 年 的 时候 法国 有 一个 科学家 叫 巴兰 古

巴兰 古 他 是 一个 酸奶 公司 的 科学家

我们 知道 酸奶 里边 也 有 很多 的 细菌

但是 他们 那个 酸奶 公司 细菌 经常 会 这个 闹菌 瘟

就是 经常 会 被 噬菌体 大批 的 干掉

然后 他 就 去 想

我 怎么样 才 能够 让 我的 细菌 不 被 噬菌体 干掉 呢

于是 他 就 做 实验 他 做 的 实验 大概 是 这样

就是 把 那个 链球菌

这是 链球菌 的 DNA

这个 是 细菌 的 DNA

这个 他 把 链球菌 放到 了 噬菌体 里面

那 噬菌体 就是 病毒 了 对 吧

这个 是 噬菌体

他 把 这个 链球菌 放到 了 噬菌体 里面

结果 发现 这个 大量 的 链球菌 都 死亡 了

但是 也 总 有 那么 一些 这个 细菌 活 下来 了

它 把 这些 活 下来 的 细菌 拿 出来 仔细 观察 就 发现

活 下来 的 细菌 里 的确 就 出现 了 什么 呀 这种 重复 的 结构

他 再 仔细 的 研究 会 发现 什么 呢

这个 重复 的 结构 其实 就 来源于 噬菌体

经过 仔细 的 思考 他 明白 了 这样 一个 道理

事实上 细菌 对 噬菌体 是 有 一定 的 防御机制 的

就是 当 这个 细菌 存活 下来 的 时候

它 会 把 这个 噬菌体 的 DNA 切 下来 那么 一小段

噬菌体 的 DNA 切 了 一小段

然后 它 把 自身 的 这个 DNA 链 断开

断开 之后 它 让 这个 噬菌体 这 一小段 的 DNA

插入 到 自己 的 这个 DNA 链 里边 去 于是 细菌 就 发生 了 变异

它 变异 成 什么 呢

左右 两边 还是 原来 自己 的 DNA

而 中间 它 就 插入 了 刚才 那个 病毒 的 DNA

这个 DNA 其实 是 来源于 噬菌体 的

那 这么 做 它 为了 识别 说 这 一段 不是 我 自己的

而是 我 为了 免疫 别人 加入 的

所以 它 前后 会 加 什么 会 加 一个 重复 的 序列

就是 刚才 咱们 所说 的 这个 什么 CGGTT

这 两边 重复 的 两个 重复 的 中间 加 一段 病毒 的

表示 我 已经 认识 这个 病毒 了

那么 过 了 一段时间 这种 病毒 它 又 来 了

这个 噬菌体 它 又 来 了

它 就 想 去 杀 这个 细菌

那 这个 细菌 我 已经 遇到 过 你 一次 了

第二次 我 就 不 怕 你 了 是 吧 为什么 呢

因为 它 会 分泌 出 一种 物质 叫 RNA

这个 RNA 就是 刚才 我们 所说 的 那个 核糖核酸

这个 RNA 它 起到 了 一种 定位 的 作用

起到 了 一种 定位 的 作用 它 可以 对 这个 DNA 进行 观察

说 有没有 那么 一段

是 跟 我 刚才 记住 的 这个 不好 的 噬菌体 一样 的 呢

就 找 找 找 找 唉 正好 发现

你 看 这 一段 的 DNA 跟 我 这个 记录 的 这个 DNA 是 一模一样 的

于是 这个 RNA 就 会 指挥 一种 蛋白质

这种 蛋白质 叫 cas9 指挥 这种 蛋白质 去 进行 工作

它 要 干 什么 呢 它 就 把 这个 病毒 给 切断

把 这个 病毒 给 切断 这样一来 病毒 被 切断 了

所以 它 的 活性 就 消失 了 这样 就 起到 了 一种 防御机制

而 这个 cas9 它 是 一种 酶 它 可以 切断 DNA 的

那么 这种 酶 相当于 一个 手术刀

所以 这个 细菌 它 实际上 这个 过程 是 一种 什么 呀

是 一种 特异性 的 一种 免疫 机理

免疫 实际上 是 一种 免疫 机理

然后 人们 就 思考 这个 细菌 很 聪明

那么 这种 方法 这种 切割 DNA 的 方法

我 能 不能 去 使用 到 人类 身上 能 不能 使用 到 其他 动物 身上

我 先 通过 RNA 进行 定位 找到 我 想 切割 那 一段

我 再 通过 cas9 这种 蛋白质 进行 切割

把 DNA 切 了 切 了 之后 DNA 还 通过 一些 机制 它 可能 会 合 起来

那么 这种 方法 就 可以 用 在 基因 手术 上

这 就是 现在 非常 非常 火 的 这个 技术 就是 CRISPR 技术

CRISPR/cas9 技术

CRISPR 其实 指 的 就是 这种 重复 的 序列

那么 cas9 就 指 的 是 这种 手术刀 这个 蛋白质

这个 技术 其实 出现 的 时间 并 不 长

在 2012 年 的 时候

世界 上 三个 科学 团队 把 这个 技术 给 同时 搞 出来 了

一个 是 哈佛大学 的 乔治

一个 是 MIT 的 张峰 华人

还有 一个 就是 UC Berkeley 的 杜德纳

这 三个 研究 小组 同时 搞出 了 这个 CRISPR/cas9 这种 技术

那么 这种 技术 它 的 基本 原理 是 什么 呢

就是 跟 细菌 的 这种 做法 是 差不多 的

首先 我们 需要 了解 一个 基因库

我们 了解 我们 要 手术 的 基因 到底 是 如何 排序 的

我们 要 了解 这个 基因库

这个 基因库 里 我 比如说 想 敲掉 这 一段 基因

我 已经 知道 这 段 基因 是 什么 了 然后 我 干 什么

然后 我 去 进行 制作 我 通过 一些 化学 或者 是 生物 的方法

我 去 制作 和 合成 这种 定位 的 RNA 制作 这个 RNA

这个 RNA 是 用来 检查 这 一段 到底 在 基因 DNA 的 哪个 地方

制作 RNA 之后 我 再 把 这个 RNA 和 这个 cas9 这种 蛋白质

实际上 是 含有 蛋白质 基因 的 一个 载体 质粒

把 它 一起 注入 到 这个 细胞 里面 去

那么 注入 到 细胞 里面 去 之后

这些 东西 开始 发挥 作用

RNA就 开始 进行 定位 去 寻找 那 一段 DNA

找到 了 之后 cas9 就 把 它 切 下来

这样 一来 就 可以 实现 基因 手术 了

那么 这种 做法 有 什么 好处

相比 于 传统 的 做法 它 有 很多 的 好处

第一个 好处 就是 它 高效

我们 以前 在 进行 这个 DNA 或者 基因 操作 的 时候

我们 怎么 做 的

我们 用 这个 什么 辐射 去 照 它 让 它 发生 变异 是 吧

或者 是 我们 用 一些 像 内切 酶 的 办法 去 进行 切割

但是 这些 方法 效率 都 非常 低

就 好像 是 我们 一个 不会 弹钢琴 的 人 在 那 狂 弹钢琴

然后 想 谱出 一 好 曲子 来 一样 是 很 难 的

但是 现在 我们 有 了 一种 方法 就是 这个 CRISPR 这种 方法

这 这种 方法 是 指 哪 打 哪 我 好像 有 的 一个 谱子 一样

我 直接 去 弹 钢琴 效率 非常 高

因为 它 效率 高 所以 它 就 价格 低

因为 我 做 一次 实验 就 够 了 我 不用 做 那么 多次 了

所以 价格 就 非常 非常 低

还 有 一个 就是 它 可 敲 可 编

可 敲 可 编 的 意思 就是 你 可以 把 中间 的 某一段 去掉

但是 同时 你 也 可以 编辑 说 这个 编辑 怎么 做

比如说 我 想要 一个 特定 的 序列

我 可以 通过 体外 制作 的 方法 直接 把 DNA 做 出来

然后 我 再 通过 这个 方式

把 这 一段 做 完 的 DNA 我 给 你 接上 这 就 行了

所以 它 可 敲 可 编

我 甚至于 可以 随意 地 按照 我 的 想法 去 编出 一个 生物 的

理论 上 讲 是 这个 样子 的

所以 它 是 一种 非常 非常 神奇 的 方法

现在 全世界 有 数千个 实验室 都 在 使用 这种 方法 做 实验

是 吧 但是 没有 人 敢 做 人类 的 胚胎

它 有 什么 好处 这个 好处 有 很多

比如说 第一个 就是 它 可以 用来 对抗 疾病

疾病 从 本质 上 来讲 都 是 人类 的 免疫系统

或者 某 一部分 的 这个 基因 出 了 问题 了

所以 就 出现 了 疾病 比如 HIV

HIV 它 就是 攻击 人体 的 免疫 细胞

免疫 细胞 无法 识别

那么 假如 一个 人 得 了 HIV 之后

我们 可以 通过 基因 编辑 的方法

让 你 的 免疫 细胞 可以 识别 HIV

然后 把 这种 免疫 细胞 注入 你 的 身体 里

这种 免疫 细胞 可能 就 可以 慢慢 的 去 杀灭 HIV 对 吧

这个 实验 其实 在 一些 小鼠 上 已经 做 了

而且 获得 了 很 好 的 效果

再 比如说 人人 都 很 害怕 癌症 是 吧

这个 癌症 还是 癌症 是 因为 细胞 发生 了 基因 的 变异 对 吧

然后 免疫 细胞 没有 识别 出 这种 变异

最后 这个 变异 就 爆发 了 就 产生 了 癌症

那么 如果 一个 人 得 了 癌症 之后

我们 可以 通过 这种 基因 编辑 的方法

让 你 的 免疫 细胞 变得 很 厉害

能够 抓 到 这个 癌症 这 就是 所谓 的 癌症 基因 疗法

这种 疗法 其实 在 中国 已经 开始 开展 了

还有 很多 比如说 有 一些 遗传 的 疾病

最 典型 的 遗传 疾病 色盲

总有 小孩 他 是 色盲 长大 之后 要 生 孩子

她 的 孩子 还是 有 可能 是 色盲

那么 我们 可以 通过 基因 编辑 的方法

让 他 的 色盲 基因 变 好

这样 一来 他 的 后代 就 不是 色盲 了

你 看着 是不是 挺 好 的

人们 预期 说 用 这种 办法 去 进行 疾病 治疗

可能 会 使 人体 的 寿命 大大 延长

甚至 有人 可能 认为 这 人体 的 寿命 可以 达到 无限 说 为什么

有 一些 动物 它 确实 有 类似 于 无限 生命 的 这种 东西

它 有时候 会 返老还童

说 那 我们 有没有 办法 把 这种 动物 的 基因 移植 到 人 身体 上

让 人 也 具有 这种 返老还童 的 能力

这个 也 不是 天方夜谭 也 是 有 可能 的

为什么 呢 因为 我们 现在 可 敲 可 编

我 完全 可以 把 动物 的 基因 移植 到 人 的 身体 里面 去

但是 为什么 现在 出来 了 这样 一个 人

他 做 了 一个 基因 编辑 的 孩子

却 让 大家 都 开始 去 打 他 呢

这个 原因 是 因为 基因 这种 手术 方法 还有 很多 的 问题

第一个 问题 就是 它 的 医学 技术 问题

现在 这种 方法 刚刚 出现

人们 其实 还 没有 搞清楚 这种 方法 到底 有 多大 的 危险性

在 做 手术 的 时候 基因 会 不会 出 乱子 是 吧

这个 事 还 没有 讨论 清楚

所以 这种 情况 下 贸然 对 一个 孩子 做手术 这个 是不对的

其次 还有 一个 就是 伦理 问题

这个 伦理 问题 也 是 大家 讨论 的 最多 的 一个 问题

因为 现在 人类 已经 具有 的 能力 对 这个 基因 实行 编辑

那 我 于是 可以 把 任何 两种 物种 结合 到 一块

比如说 吧 我 可以 把 鱼 的 基因 移植 到 人 身上

我 可以 把 鸟 的 基因 移植 到 人 身上 对 不 对

那么 对于 疾病 治疗 人们 认为 是 没有 问题 的

但是 疾病 治疗 和 改良 其实 间隔 并 没有 那么 明显

比如说 吧 有 一个 人 他 是 色盲

那么 你 通过 基因治疗 的 方法 让 它 变成 不是 色盲

这是 可以 接受 的

但是 如果 我 再 把 这个 基因 稍微 改 一点

她 的 视力 可能 就 特别 好 超出 常人 对 吧

那么 有 的 人 他 就 天生 矮小 我 基因 改良 他 变得 比较 高

那 我 要是 让 这个 孩子 天生 就 比较 高

是不是 比 别人 就 优等 了

如果 要 大家 都 这么 做 的话 最后 会 造成 什么

造成 经过 基因 编辑 的 孩子 他 智商 非常 发达

身体 非常 强壮 寿命 非常 非常 长

而 自然 出生 的 这个 孩子 他 身体 非常 弱小 智商 也 不行

那个 时候 社会 就 会 分裂 成 两个 非常 大 的 阶层

那 就是 经过 基因 编辑 的 精英 阶层

和 没有 钱 做 基因 编辑 的 那些 底层

这样 社会 分化 的 就 会 非常 严重

再者 我们 知道 虽然 我们 有 能力 把 人 和 动物 的 基因 融合

但是 一般 的 科学家 不会 做 这件事

不过 我们 看 美国 电影 的 时候 经常 有 这样 的 情节

有 一个 疯狂 的 人 比如说 像 什么 九头 蛇

他 要 造 一只 超级 军队

于是 他 就 把 这个 人 的 基因 进行 了 改良 对 吧

那么 如果 基因 编辑 技术 被 滥用 的话

是不是 也 会 出现 这样 的 情景

有 一个 类似 于 九头 蛇 的 人 把 他 的 军队 进行 了 改良

把 他 的 军队 和 狼狗 结合

这个 军队 首先 智商 比较 低 又 特别 听话

而且 身体 特别 强壮 那 这样 对 全世界 来讲 其实 都 是 一个 灾难

所以 在 这些 问题 没有 讨论 清楚 之前

我们 不 应该 贸然 的 使用 这种 方法

对 人类 尤其 是 人类 的 胚胎 细胞 进行 编辑

因为 这样 将会 不 可逆 的 改变 人类 的 基因库

那 现在 这个 贺建奎 这个 人 他 没有 跟 别人 商量

就 直接 把 这个 胚胎 改了 改了 之后 还 生 出来 这个 孩子 了

造成 了 一种 不可逆 的 结果

那么 这件 事是 非常 非常 不负责任 的

其实 关于 基因 编辑 还有 很多 问题 可以 讲

比如说 糖尿病人 用 的 胰岛素 是 怎么 做 出来 的

克隆人 到底 是 怎么回事

那 这些 问题 我们 在 后面 再 给 大家 慢慢 介绍

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