基因医学中最大的两个障碍是如何将DNA改变工具应用到正确的细胞上，以及如何改变足够多的细胞以使其有效。

CRISPR基因编辑技术在治疗遗传疾病方面的潜力多年来一直是备受推崇，包括《连线》杂志也曾专门论述。对一个家庭来说，基因编辑技术至少能够给人们带去希望，而不是炒作。据美国国家公共电台(NPR)前段时间报道，34岁的维多利亚·格雷在接受了数十亿Crispr细胞的注射一年后，这些细胞仍然存活，减轻了她镰状细胞病的并发症。研究人员表示，现在称其治愈还为时过早。但作为美国第一个用Crispr成功治疗基因疾病的人，这是一个巨大的里程碑。而随着更多的临床试验正在进行中，Crispr基因编辑技术才刚刚开始。

尽管Crispr的DNA剪切精度很高，但它最擅长的是破坏DNA。在格雷的案例中，Therapeutics公司用Crispr 制造的基因编辑器故意削弱了她骨髓细胞中的一个调控基因，从而促进了一种休眠的胎儿血红蛋白的产生，并克服了一种导致人体血红蛋白产生不良情况的突变。这是解决Crispr局限性的巧妙方法。但它对很多其他遗传性疾病不起作用。如果你想用一个健康的基因替换一个缺陷的基因，你需要一个不同的工具。如果你需要插入大量的DNA，那么用这个技术就不行了。

新创业公司Therapeutics的的首席执行官杰弗里·冯·马尔扎恩(Geoffrey von Maltzahn)则表示，现在已经有了新工具。该公司于2018年由总部波士顿的生物技术投资巨头旗舰创业公司(Flagship Pioneering)创立，冯·马尔扎恩是该公司的普通合伙人。之前，公司获得了5000万美元的初始融资。Tessera花了两年的时间开发了一种新的分子操纵器，它除了可以做Crispr能做的很多事情，也可以做一些Crispr做不到的事情，包括精确地插入长段DNA。杰弗里表示，这不是基因编辑。这是“基因写作”。

杰弗里表示:“简单来说，这开创了一个新的基因医学类别。基因书写能够弥补基因缺失或进行简单的碱基对改变，而且它的主导作用是全方位的，尤其是对基因组做出巨大改变的能力。”
 

理解基因书写原理

为了更简单化，为了理解基因书写原理，必须深入研究一场已经进行了数十亿年的古老的、看不见战争的“细菌-病毒”之间的对抗历史。

几乎只要有细菌存在，就有病毒试图攻击它们。这些病毒被称为噬菌体，就像一串恶意的计算机代码，试图侵入细菌基因组，诱导它制造更多的噬菌体。每天，噬菌体入侵并摧毁世界上大量的细菌(仅海洋中的细菌数量就高达40%)。为了避免无情的屠杀，细菌必须不断进化防御系统。 Crispr就是其中之一。这是细菌窃取噬菌体代码(DNA或RNA)并将其存储在记忆库中的一种方式，就像原始免疫系统一样。这是地球历史上持续时间最长的军备竞赛，康奈尔大学的微生物学家乔·彼得斯说:“这种程度的进化压力已经推动了操控DNA和RNA的分子机制的大量创新。”

但是细菌不仅可以与外部病毒入侵者抗衡。他们的基因组也受到来自内部的永久攻击。在整个千年中，由于细菌彼此之间交换着一些DNA，试图保持在下一波噬菌体攻击之前，这些基因中的一些进化出了移动能力，甚至独立于其原始基因组的其余部分而复制。这些称为“移动遗传元素”，或MGEs，携带着自包含的代码，使机器可以剪切粘贴或复制粘贴自己到一个新的位置，或者在它们的宿主或附近的细菌中。

这给基因重组的接收端细菌带来了真正的麻烦。如果这些MGEs插入到关键基因区域，它就和细菌说再见了。彼得斯说:“你可以用看待突变的同样方式来看待MGEs。”“没有它们，我们就不会进化，但其中99.99999%是坏的。细菌在不惜一切代价阻止MGEs破坏它们的基因组。”

1931年，诺贝尔奖得主植物学家芭芭拉·麦克林托克(Barbara McClintock)在玉米中发现了已知的第一类MGEs，称为转座子，或“跳跃基因”。她对植物染色体染色的技术使她能够看到大块何时会从一个细胞跳到另一个细胞。但几十年来，科学家们一直无法理解这些重复的自我重组DNA片段的目的。有些人甚至把人类基因组中那些重量级的部分称为“垃圾DNA”。“很难获得研究资金。但渐渐地，像彼得斯这样的研究人员发现，细菌中的MGEs实际上是一种高度进化的系统，用于识别、书写和移动DNA。

事实上，正如美国国立卫生研究院(NIH)研究人员尤金·库宁(Eugene Koonin)和基拉·马卡洛娃(Kira Makarova)在2017年所描述的那样，Crispr本身似乎是从一个自我合成转座子进化而来的。(Crispr是一种蛋白质的编码，它可以切割储存在基因记忆库中的特定的、可识别的DNA片段。转座子让Crispr开始积累记忆库。)

早些年时候，彼得斯和库宁发表了一篇论文，描述了这种进化有时是如何循环往复的。他们发现一种转座子偷了一些Crispr基因来帮助它在细菌宿主之间移动。他们意识到这些用于切割、复制和粘贴的分子工具不断地在MGEs、噬菌体和细菌之间穿梭，交替地用作攻击或防御的手段。在那篇论文的最后，Peters和Koonin写道，这些系统可能“被用于基因组工程应用。”

彼得斯说，不久之后，他开始接到来自商业利益集团的电话。其中一封来自Tessera的首席创新官和联合创始人杰克•鲁本斯(Jake Rubens)。2019年，该公司开始与彼得斯的康奈尔实验室进行赞助研究合作，以发现具有基因组工程潜力的新MGEs。(Tessera还有其他研究合作伙伴，但公司官员尚未透露具体的合作伙伴。)

MGE有几种类别。还有转座子，它可以把自己从基因组中切出来，跳到一个不同的区域。转座子复制一个染色体，然后把这个复制的染色体运送到它的新住所，每次复制都会扩大基因组的规模。它们都通过在两端有特殊的序列来定义它们的边界来工作。介于两者之间的是制造蛋白质的基因，这些蛋白质识别这些边界，或者在转座子的情况下将它们切除，留下一个缺口。或者在逆转录转座子的情况下，通过RNA中间物将它们复制到新的位置，增加基因组的整体大小。还有其他类，但这两个是Tessera高管感兴趣的。这是因为你可以在这些序列之间添加一串新的代码，比如一个健康的、没有突变的致病基因，然后让MGE的机器完成工作，把治疗性DNA移到病人的染色体上。

在过去的两年里，该公司的生物信息学团队一直在挖掘公共数据库，这些数据库保存着科学家从世界各地收集到的数十万种细菌的基因组序列。在这些海量的遗传数据中，他们一直在寻找可能最适合进行这些治疗性DNA改变的MGEs。到目前为止，公司科学家已经确定了大约6,000个逆转录转座子（Tessera称之为RNA作家）和2,000个具有潜力的转座子（DNA作家）。
 

实验实践

Tessera的35名科学家团队一直在人体细胞中进行实验，以了解每个细胞到底是如何工作的。有时，有前途的，自然发生的基因作者会在Tessera的实验室中作进一步的调整，以变得更加精确或移至其他位置。该公司尚未证明其任何基因作者都能消除遗传病。但在小鼠模型实验中，研究小组一直能够使用它们将大量的绿色荧光蛋白基因拷贝插入到动物的基因组中，以此证明他们能够可靠地放置设计DNA。

现在，科学家们已经让动物们贡献几十年了。Tessera公司的方法的不同之处在于，该公司的科学家只需要注射少量RNA就可以实现。这个小RNA包含它需要的所有信息，以招募必要的酶来制造一个新的DNA分子，这个DNA分子为绿色荧光蛋白编码，然后把它插入老鼠的染色体中。

这是个重要事件。因为遗传医学中最大的两个障碍一直是如何将DNA改变工具导入正确的细胞，以及如何改变足够多的细胞以使其有效。传统的基因疗法依赖于将健康的基因放入中空的病毒中，这些病毒无法容纳大块的DNA片段。这些治疗只能进行一次，因为人们的身体会对病毒外壳产生免疫反应。使用Crispr的科学家也遇到了同样的问题。而这次实验是第一次成功地编辑体外细胞，然后将它们注入体内的疾病中，比如镰状细胞病和癌症。在体外，科学家可以将Crispr的组成部分直接注射到细胞中，而不是依赖病毒载体。

仅仅通过直接注射RNA就能将新的DNA整合到活体动物的基因组中，这在以前是前所未有的。鲁本斯说:“据我们所知，这是第一次有人证明人们可以做到这一点——不仅在遗传医学上，在分子生物学上也是第一次。”

与新型冠状病毒肺炎主要疫苗制造商之一Moderna采用的方法类似，只需注射一小段RNA，就能让研究人员更容易治疗需要添加大量修复基因代码的遗传疾病。“这是一种非常有趣的方法，绝对值得追求，”基因编辑专家、加州大学伯克利分校创新基因组学研究所科学主任费奥多尔•乌尔诺夫(Fyodor Urnov)说。(近几个月来，乌尔诺夫帮助将IGI转变为一个全职的新型冠状病毒肺炎检测行动。他说，Tessera的管理人员最近联系他，希望他加入他们的董事会，但尽管他很兴奋，但他没有参加行动。)

不过，他说，基因书写技术最终是否会优于Crispr或其更精确的下一代“兄弟”prime编辑技术，或目前正在开发的任何其他新基因编辑技术，现在下结论还为时过早。他表示:“我在这一领域工作了三十年，从中学到的了，只有临床才能告诉你，哪种技术最终会成为治疗特定疾病的最佳方法。”

对于Tessera来说，这样的人体试验可能至少还要一年。该公司刚刚开始组建早期制造团队。到目前为止，他们对计划首先对付哪些疾病始终保持沉默，只说可能是罕见的遗传疾病。杰弗里表示:“我们现在想要把我们的注意力尽可能转移到多的变化和工程结构上。”他说，公司内部开发的RNA书写器走得最快。但他们的目标是在进入临床之前，研制出一套能够解决许多人类疾病的分子机器。杰弗里还说:“我们几乎可以肯定，在未来的几十年里，基因医学将成为最非凡的新医学类别之一。”

这个领域一直在加速发展：基因疗法在首次投入人体试验前，已经进行了数十年的研究；Crispr基因编辑技术花了7年；基因书写可能等不了那么久。