基因治疗的前世今生(七):编程时代(上)
从“黄金手指”的三个章节里,读者们已经看到了大自然的基因组GPS-锌手指蛋白是如何从实验室的偶然发现走向临床,而来自学术界的发现又是如何被禁锢在Sangamo公司的专利“牢笼”里的。 
2015-8-3 10:08:28
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王立铭

本文转载自 以负墒为生

 

OPEN:开源破牢笼

书接上回。

从“黄金手指”的三个章节里,读者们已经看到了大自然的基因组GPS-锌手指蛋白是如何从实验室的偶然发现走向临床,而来自学术界的发现又是如何被禁锢在Sangamo公司的专利“牢笼”里的。作为学术界的一员,我一方面尊重知识产权保护的神圣性,一方面也忍不住有些遗憾之情:如果...那该有多好!如果Sangamo能够哪怕是部分的开放它设计、优化和组装锌手指蛋白的独门秘诀,如果更多的科学家能够参与对这一过程的进一步完善,如果有多家生物技术公司能够刺刀见红的在市场上拼杀,如果... 也许我们今天早已可以享受到锌手指蛋白在临床上带给我们的福利了。

因为这许许多多“如果”,学术界也一直有相当一部分人,对现状颇有不平之意。他们当中的一部分人,决心要在实验室中“再次”开发出高效的锌手指蛋白设计方法,并且这一次,他们发誓要让新知识在学术界和工业界自由共享,换句话说,这就是时下互联网上最时髦的“开源”(open source)的概念。学术界在默默的用开源的思路,对抗Sangamo的专利牢笼。

哈佛大学医学院麻省总医院的韩国科学家Keith Joung就是其中的代表人物。

 


Keith Joung在实验室。Joung是我们前文提到的卡尔.帕博(Carl Pabo)实验室的博士后,他和锌手指蛋白的缘分也是在帕博实验室开始。帕博离开学术界前往Sangamo公司就职时,Joung选择留在学术界,在哈佛大学医学院/麻省总医院继续发展锌手指蛋白的技术平台。(图片来自麻省总医院癌症中心www.theonehundred.org)

2008年,Joung和同事们发表论文,展示了他们实验室积十年辛苦开发出的新型锌手指蛋白组装平台,甚至为了表明他们建立开源平台、共享新技术的决心,新方法被巧妙的命名为“OPEN”(英文“开放”之意,取英文术语Oligomerized Pool ENgineering的首字母组合而成)。OPEN方法的思路简单来说就是随机筛选和组合筛选的结合。如果一个科学家希望设计一个三手指蛋白识别一段9个DNA碱基的基因组序列,他要做的首先是利用3+3+3这三段DNA三碱基序列做“鱼饵”,尽可能多的钓取成千上万的已知锌手指蛋白中能够与之相结合的手指,每个三碱基钓取95根手指“备用”。之后再将这3X95根手指随机搭配,共会产生95的3次方,大约86万个组合,这些组合中,应该可以找到能够很好的互相搭配的三根手指,帮助这个科学家高效精确地识别那段DNA9碱基。

读者们可以看到,OPEN方法的最大瓶颈在于,为了用每段DNA三碱基序列钓取95根好用的手指,研究者们需要事先准备尽可能多的手指“备选”,这注定是一件无比繁琐的分子生物学实验步骤。更有甚者,这个步骤在每次筛选中都需要从头再来一次!于是随后Keith Joung和同事们进一步优化了OPEN方法,并于2010年开发了基于大量现成OPEN数据的、侧重于计算机预测的锌手指蛋白组装平台CoDa,希望牺牲部分准确性,换取组装效率的大幅度提升。至此,学术界的开源努力终于姗姗来迟的修得正果。尽管已经比Sangamo的组装平台晚生了差不多十年,但是OPEN和Coda方法意味着至少在理论上,科学家们也可以绕开Sangamo的专利壁垒,自由的设计所需的锌手指蛋白,并用在基础研究中了。

 

 对于基础研究来说,OPEN和CoDa的意义倒不在于是否可以直接用来治病救人,而是提供给科学家们一个简单而精确的方法定点打击基因组序列,从而通过人为定点改变基因组序列,研究某个特定基因、特定碱基的生物学功能。在上图中,科学家利用锌手指蛋白核酸酶的方法定点突变了斑马鱼中一个基因,鱼出现了尾部被截断的表型(右两幅图)。这个实验结果就毋庸置疑的说明,该基因对于鱼尾部发育至关重要。事实上,这个基因的名字就叫做“无尾”(ntl/no tail)。

来自油菜细菌的“神话”

然而这一次针对锌手指蛋白的开源革命,很大程度上也就仅仅意味着纸面上的可能性而已。

命运在这里和Sangamo以及Keith Joung开了一个不大不小的玩笑。就在他们双方夜以继日的完善筛选和优化锌手指蛋白组装的方法、以期克服锌手指蛋白之间不完美的配对问题的时候,一种新的技术横空出世,宣告了基因组编程时代的最终来临。一瞬间,似乎锌手指蛋白组装的技术难题虽然仍未完美解决,但却显得有些无关紧要了。

要说清楚来龙去脉,我们还得从锌手指蛋白的问题说起。

我们在“黄金手指”的章节里提起过,锌手指蛋白虽然能够实现一节手指与一段DNA三碱基序列的对应,但是两者之间的结合和对应关系不是完全严丝合缝的。因此,如果多个锌手指蛋白串联在一起可能存在互相干扰,从而影响彼此对目标DNA序列的识别和定位。这也是为什么不管是Sangamo还是学术界都在孜孜寻求更好的组装多个锌手指蛋白的技术平台。

换句话说,锌手指蛋白已经具备部分的“可编程性”,从某种程度上我们可以像玩乐高玩具一样花样组合不同的锌手指蛋白,实现对一段特定的DNA长序列的精确识别。但是这种“可编程性”没有放之四海而皆准的普遍规律,很大程度上仍然是经验性的、需要实验确认的。这一点就非常严重的限制了锌手指蛋白的科学与临床应用,相信在上文的故事中读者们都已经有所了解。

那么,能不能找到具备完全“可编程性”的物质(比如说,是一种新的能够结合DNA的蛋白分子),可以实现蛋白质与目标DNA序列的精确对应,从而使得人们可以随心所欲的设计不同的蛋白组合,从而实现对任意DNA序列的精确定位呢?一旦我们发明了这样的方法,所有围绕锌手指蛋白组装的难题岂不是统统迎刃而解,我们可以釜底抽薪的解除Sangamo建立的专利藩篱了么?

当然,上面的这些问题其实应该算是作者事后诸葛亮式的无妄猜想。毕竟,产生具备DNA结合能力的蛋白质,可能是生物体生存繁衍的最基本能力之一:基因组DNA上镌刻着这种生物的遗传密码,而生物体在不同时间、地点、发育阶段和环境刺激下有差别和选择的“利用”这些遗传密码所携带的信息,这种差别利用几乎都要依赖于各种能够精确结合和调节DNA转录活性的蛋白质。同时别忘了,地球上有上百万种已知物种,还未进入人类视野的物种可能十倍于此。即便进化已经帮助我们构造出了具备完全“可编程性”的蛋白质,我们又如何从百千万物种中、几十亿上百亿种DNA结合蛋白中把它给寻找出来呢?

然而命运的安排有时候巧合的不可思议。就在Sangamo小心翼翼守护着他们锌手指蛋白组装的专利,而Keith Joung在百折不挠的尝试着开发锌手指组装新方法的2009年,两篇来自细菌学家的论文揭示了一个意料之外、但却足够惊艳整个科学界的发现。

来自德国马丁.路德大学(Martin-Luther University)的细菌学家乌拉.伯纳斯(Ulla Bonas)在过去的二十年里一直在和一种常见的植物细菌—野油菜黄单孢菌致病变种(Xanthomonas campestris pv. vesicatoria)打交道。这种细菌和它的近亲们可以侵染包括水稻番茄大豆青椒在内的上百种植物,会在植物叶片上形成恼人的黑斑,甚至发展成有害的植物叶斑病和溃疡病。和自然界存在的许多种治病细菌一样,这种细菌入侵植物之后会迅速利用一套类似针头注射器的“装置”将自身的一系列蛋白“注射”到植物细胞内,利用植物细胞原有的生物系统来满足自身生存和繁衍的需要。

 

 

柑橘溃疡病(Xanthomonas citri)。一种由黄单胞菌引起的植物病害。

而早在上世纪九十年代初,伯纳斯实验室就发现,黄单胞菌“针头”所注射的成分中有一种名叫AvrBs3的有趣蛋白质。AvrBs3进入植物细胞体内后,能够自作主张的伪装成植物本身就有的某种转录因子(在上一章节黄金手指中我们已经讲过何为转录因子,也就是能够结合DNA序列、启动DNA转录成RNA的蛋白质)。因此在AvrBs3的控制下,植物细胞就老老实实的合成了一系列蛋白质,帮助搬运更多的养分进入细胞啊、清除掉细胞内可能会毒害细菌的金属离子啊,总而言之,就是AvrBs3能够在植物细胞里面,充分的动员植物细胞自身的功能,任劳任怨的为细菌的寄生和繁殖创造最好的物质条件。

而差不多要到十年之后的二十一世纪初,人们才逐渐开始意识到在黄单胞菌属的细菌中,像AvrBs3这类型的“卧底”型蛋白质的存在相当普遍。不同的卧底细菌中携带着不同的卧底蛋白,能够在不同的植物宿主中起到类似的打扫战场准备细菌们安营扎寨的功能。因此这一类蛋白也被赋予了一个新的名字“神话”(TALE/transcription activator-like effector 中文翻译为类转录激活因子效应蛋白,是指它们是一类由细菌分泌并注射进入宿主体内的效应蛋白,其功能类似于传统的转录因子)。

而更妙的是,“神话”蛋白显然具备精确定点结合DNA的能力,否则无法解释它们如何能在不同的宿主细胞内启动合成各种各样的蛋白质。与此同时,人们发现“神话”蛋白的氨基酸结构中,有类似于锌手指蛋白那样的重复单元。比如AvrBs3这个“神话”蛋白的老祖宗,它的氨基酸序列中可以看到不多不少正好17.5个、每个由34个氨基酸串联形成的重复单元。读者们可能还记得,上回书中我们浓墨重彩介绍的锌手指蛋白,不也正是在蛋白质序列中存在差不多30个氨基酸构成的重复单元,而正是这些重复单元“手指”决定了锌手指蛋白精确定位DNA的能力么?

那么来自毫不起眼的油菜细菌的“神话”蛋白,能否指引一条不同于黄金手指的、让我们能够精确定位和编辑人类基因组的道路呢?

“神话”降临凡间,人类进入基因组编程时代

这种可能性是如此诱人,乌拉.伯纳斯显然不会轻易把她放掉。

2007年,伯纳斯和同事们先后在两篇发表于《科学》杂志的学术论文中证明,AvrBs3蛋白确实能够精确地识别和结合烟草叶细胞中的一段DNA序列,而且如果人为改造AvrBs3蛋白中的34氨基酸重复单元就会破坏这个能力。2009年,伯纳斯实验室更是令人信服的证明,“神话蛋白”中的34氨基酸重复单元是能力比黄金手指更胜一筹的“钻石”手指。与锌手指蛋白一根手指近似对应DNA三碱基序列不同,每根钻石手指精确的对应一个DNA碱基(也即A/T/C/G四种碱基中的一种)。伯纳斯和同事们还证明,通过人为的删减添加和自由组合不同的“钻石”手指,他们可以轻而易举的构造出结合特定DNA序列的蛋白质来。

20年来对一种颜值很低、经济价值也并不显著的植物细菌的研究,这一刻破茧成蝶。用纯粹的好奇心追逐着自然奥秘的科学家们,不经意间推开了人类基因组编程时代的大门。

 

 
乌拉.伯纳斯。从伯纳斯实验室发表的科学论文上看,伯纳斯最重要的研究兴趣不是人类基因组编辑,而是病原菌与宿主的关系。她的实验室利用一类植物病原菌—黄单胞菌—为研究对象,在20年里通过一系列经典发现,揭示了其如何入侵植物细胞的机理。而这些机理研究不经意间为我们开启了人类基因组的编程时代。值得提醒读者们的是,2009年,在伯纳斯实验室之外,来自爱荷华州立大学的Adam Bogdanove实验室也于同时发表了关于“神话”蛋白可编程性的论文。

“神话”蛋白中的一个个钻石手指,具备了基因组完全“可编程性”的所有特点。理论上讲,对于任何一段给定的基因组DNA序列,我们只需要从“神话”蛋白库中挑出四种分别对应A、T、G、C四种DNA碱基分子的片段,按照基因组序列顺序一一对应的排列成一串,就能够组装出一个能够精确制导的基因组GPS了。在此基础上再用上我们上一章的主角之一、基因组剪刀FokI,不就可以创造出可以完全替代锌手指蛋白的基因组编辑工具么?

而且相比锌手指蛋白,“神话”蛋白至少有几个巨大的优越性:第一,每个锌手指蛋白仅仅是相对精确的近似对应一段DNA三碱基,而“神话”蛋白可以实现对DNA单碱基的精确对应;第二,“神话”的单碱基对应能力使得科学家们不需要再去纠结复杂的筛选和组装方法,只需要把一个一个的“神话”蛋白串联起来就可以解决问题;第三,也正因为“神话”蛋白的精确对应能力和简单的组装方法,这个技术平台被某家公司、某所学校专利保护起来的可能性微乎其微,正有利于这项技术的蓬勃发展。
 
全世界心心念念基因组编辑和遗传疾病治疗的科学家们,应该也都在同一瞬间看到了这种诱人的可能性。
 
最终的领跑者之一是一位年轻的华裔科学家。张峰(Feng Zhang),1981年生于中国河北石家庄,11岁时随父母移民美国,在著名的哈佛大学和斯坦福大学先后获得学士和生物学博士学位。在这里也想提醒读者们注意,张峰在攻读博士期间的工作已经早早的注定要载入史册。他和他的博士导师Karl Deisseroth一起,完善改造了光遗传学—利用光学刺激和来自水藻的光敏感蛋白精密控制大脑神经元活动—的工具。这是对于希望最终理解大脑如何工作、如何产生意识和感情、又是如何在神经退行性疾病中发生故障的神经科学家来说这一系列工具是阿拉丁神灯一般的存在,其意义可能不次于我们前文讲到过的来自水母的绿色荧光蛋白。有意思的是,和我们故事里涉及到的所有工具—莫罗尼小鼠白血病病毒、绿色荧光蛋白、锌手指蛋白、“神话”蛋白—一样,光遗传学的工具同样是大自然进化送给人类科学家的礼物。

 

 

刚过而立之年的张峰身后,已经有三项里程碑式的工作足以载入史册:光遗传学、TALEN(也就是我们文中的“神话”)技术编辑基因组、以及精彩留到最后的另一种基因组编辑技术。在开发基于“神话”蛋白的基因组编辑技术时,他刚刚结束了在斯坦福大学的博士研究,在哈佛大学接受了一份历史悠久的“青年研究员”的职位(Junior Fellow, Society of Fellows),这个二十世纪三十年代创立的精英学会巨星云集,像行为心理学奠基人斯金纳(B F Skinner),二极管发明人、双料诺贝尔奖得主巴丁(John Bardeen),经济学家萨缪尔森(Paul Samuelson)等等等等均是学会的青年研究员。以青年研究员的身份,张峰在基因组技术先驱乔治.钱奇(George Church)实验室开始了TALEN技术的开发。
 
2011年,张峰和合作者们发表论文,证明人工设计并组装的“神话”蛋白可以精确高效的定位人类基因组,并调节邻近基因的活动能力。值得提出的是,在同期的《自然 生物技术》杂志上,来自Sangamo公司的科学家同样证明了“神话”蛋白的基因组编辑能力。他们展示了,人工设计组装的“神话”蛋白,如果再连接上读者们应该早已熟悉的基因组剪刀、核酸酶FokI,能够像它们公司开发的锌手指蛋白工具一样精确高效的剪切和编辑基因组。

事实上,从某种意义上Sangamo公司这是在自己革自己的命:必须赶上“神话”蛋白和基因组编程时代的班车,哪怕要抛弃自己钻研已久的独门绝技锌手指蛋白。于是围绕着锌手指蛋白的研究和竞争,最终从一个出乎意料的角度让我们窥见了“神话”蛋白和人类基因组编程时代的第一缕朝阳。

专利和技术壁垒能够阻挡一段时间内人类对某种特殊技术和知识的广泛应用,但是阻挡不了人类了解自然、认识和完善自我的永恒向往。

神话降临凡间,2011年,人类开启了自身基因组的编程时代。


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