【編者按】
當?shù)貢r間10月7日，瑞典皇家科學院將2020年諾貝爾化學獎授予了埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹尼佛·杜德娜（Jennifer A.Doudna），以表彰她們在“憑借開發(fā)基因組編輯方法”方面作出的貢獻。
美國生物化學家詹尼佛·杜德娜的新書《破天機：基因編輯及其控制演化的驚人力量》中文版即將出版，澎湃新聞經(jīng)授權摘錄該書序言部分。
詹尼佛·A·杜德娜
夢里，我站在海邊。
左右兩側的沙灘上，黑白相間的沙子沿著海岸線向遠方鋪開，圍出一個海灣的輪廓。這時，我意識到，這是夏威夷島的海岸線，是我長大的地方：西洛灣。每逢周末，我和小伙伴都會來這里，看皮劃艇比賽，撿貝殼，不時也會在岸上撿到日本漁船落下的玻璃珠。
但是今天，沒有小伙伴，沒有皮劃艇，也看不到漁船。海灘空無人影，水面波瀾不驚，安靜到有點不自然。在水天交界處，天光與海水嬉戲，這似乎緩解了我的恐懼——自從懂事起，我就一直懷著這種恐懼。事實上，西洛島的每一個居民，無論年齡大小，都有這種恐懼。我們這代人在成長過程中沒有經(jīng)歷過海嘯，但是我們都見過海嘯的照片。我們知道，西洛島正處于海嘯途經(jīng)的地帶。
果然，遠遠地，我看到了一排浪花。
一開始它很小，但每過一秒它都在變大，我眼看著它開始聳立，直至白浪滔天。在它后面，還有更多的浪，向海岸涌來。
我嚇壞了——但隨著海嘯臨近，我的決心戰(zhàn)勝了恐懼。我注意到身后有一間小木屋，這是朋友普阿的家，屋子前面有一堆沖浪板。我抓起一個，跳進海里，滑進海灣，繞過防波堤，一頭扎進浪花。我成功躲過了第一個大浪，沒有被它掀翻，等我從浪的另一頭出來的時候，又沿著第二道大浪往下滑。這時，我看到了一片美景——近處的白山，遠處的長山，聳立著，直入云霄，似乎在保護著海灣。
我一激靈后醒來，意識到自己正躺在加利福尼亞（以下簡稱加州）伯克利市的家里，與夏威夷遠隔數(shù)千英里（1英里≈1.6千米）。
這是2015年的7月，當時正是我這輩子至今最興奮難當?shù)囊欢稳兆?，我開始經(jīng)常做這樣的夢。回頭來看，夢境的深層含義不難理解。當然，海灘是想象出來的；但是波浪，以及它們激起的情緒跌宕——恐懼、希望、驚嘆——卻無比真實。
我叫詹尼佛·杜德娜，是一位生物化學家，職業(yè)生涯的大部分時間都是在實驗室度過的。我研究的課題，除了本領域的專家，外人知之甚少。不過，在過去五六年里，我進入了生命科學里一個劃時代的研究領域，它的進展之快超乎想象，研究成果也迅速從學界轉化到社會。我和同行驚嘆于它的巨大力量，這絲毫不亞于我夢中的海嘯。不過，這一次的巨浪，我也曾為它推波助瀾。
幾年來，我參與籌建過幾個生物公司。到了2015年夏天，它們的成長速度遠遠超出了我的想象。但是，這個領域的影響力遠不止于此，因為受影響的不僅僅是生命科學，更是地球上的所有生命。
本書講述的就是它的故事，也是我的故事，但更是你的故事。因為很快，它就會影響到你。
數(shù)千年來，人類一直在不斷地改造自然界，但是從來沒達到今天這么劇烈的程度。工業(yè)化導致的氣候變化正在威脅全球的生態(tài)系統(tǒng)，再加上其他的人類活動——它們共同導致了物種的加速滅絕，地球的生物多樣性銳減。種種變化促使地質學家提議，把這個時代叫作“人類世”。
與此同時，生物世界也在經(jīng)歷著由人類引起的深刻變革。數(shù)百萬年來，生命遵循著演化的原理而演變：生物隨機產(chǎn)生一系列的遺傳突變，其中一些為生存、繁殖和競爭賦予了優(yōu)勢。事實上，直到最近，我們?nèi)祟愐惨恢北谎莼茉?。自從一萬多年前農(nóng)業(yè)出現(xiàn)，人類就開始通過選育動植物撼動演化的進程；但是演化需要的原材料，即，一切遺傳變異背后的DNA（脫氧核糖核酸）隨機突變，仍是自發(fā)產(chǎn)生的，人類的意志尚且干涉不到它們。因此，人類改造自然的能力是有限的。
今天，情況已大為不同，科學家已經(jīng)完全掌握了控制遺傳突變的能力?？茖W家可以使用強大的生物技術來修飾活細胞里的DNA，甚至改造這個星球上所有物種的遺傳密碼。在諸多基因編輯的工具中，最新，也可能是最有效的，當屬CRISPR-Cas9（簡稱為CRISPR）[1]。有了CRISPR，生物體的基因組（生物體的全部DNA內(nèi)容）就變得像文本一樣可以被編輯。
只要科學家知道了某個性狀的基因，我們就可以利用CRISPR在它的基因組中插入、編輯或刪除該基因。這比目前其他任何基因操作（gene-manipulation）技術都更簡單有效。幾乎一夜之間，我們發(fā)現(xiàn)自己站在了一個新時代的起點：在基因工程的領域，只有想不到，沒有做不到。
目前，科學家已經(jīng)在動物身上使用了這種新型基因編輯工具，并且取得了許多進展。比如，科學家利用CRISPR制造出了一種“基因增強版”的小獵犬，它肌肉發(fā)達，像是犬類里的施瓦辛格，而科學家改變的只是參與控制肌肉形成的基因的一個堿基對。在另一個例子里，通過抑制豬的身體里對生長激素起反應的基因，研究人員制造出了迷你豬，它大小接近家貓，可以作為寵物出售?？茖W家也在陜北山羊身上進行了類似的實驗，使用CRISPR編輯了它的基因組，同時提高了肌肉含量（這意味著更多的肉）與含毛量（這意味著更多的山羊絨）。通過CRISPR，遺傳學家已經(jīng)把亞洲象改造得越來越像猛犸象，或許有朝一日會復原這種已經(jīng)滅絕的動物。
與此同時，在植物界，CRISPR也已經(jīng)被廣泛用于改造農(nóng)作物的基因組。這為農(nóng)業(yè)革命鋪好了道路，將進一步顯著提高人們的飲食質量，確保世界糧食安全。通過基因編輯，科學家已經(jīng)制造出了抗病水稻、晚熟番茄、脂肪酸水平更健康的大豆，以及含有更少神經(jīng)毒素的土豆。在實現(xiàn)這些目標的時候，食品學家并沒有依賴雜交技術，而只是稍微調整了植物基因組的少數(shù)幾個堿基對。
基因編輯在動物和植物界中的應用固然激動人心，但它最大的潛力，以及它最大的風險，是在人身上的應用。
矛盾的是，它對人類健康的幫助可能也離不開在哺乳動物或者昆蟲上的應用。最近，研究人員已經(jīng)利用CRISPR來改造豬的DNA，使它們更適于對人類進行器官移植，這意味著，有朝一日，動物可以為人類源源不斷地提供移植器官。CRISPR也已經(jīng)被用來改造一種蚊子，越來越多的野生蚊子將無法生育，科學家希望這可以徹底清除蚊媒疾病，比如瘧疾和塞卡，甚至清除所有可能傳播疾病的蚊子。
不過，單就治療疾病而言，CRISPR為直接在人類患者身上編輯、修復突變基因提供了可能。目前，我們只是看到了其潛力的冰山一角，但是過去幾年的發(fā)展已經(jīng)足夠讓我們激動不已。在實驗室培養(yǎng)的人類細胞里，這種新的基因編輯技術已經(jīng)糾正了許多遺傳病，包括囊狀纖維化、鐮狀細胞病、某些形式的眼盲、重癥復合免疫缺陷等。利用CRISPR，科學家可以從人類DNA的32億個堿基對中發(fā)現(xiàn)，繼而更正單個基因突變——這已經(jīng)很令人驚嘆了，但是它還可以完成更復雜的修飾。研究人員已經(jīng)糾正了杜興氏肌肉萎縮癥患者身上的突變基因，從而治愈了疾病。在一個血友病的案例中，研究人員利用CRISPR對患者身上發(fā)生顛倒的50多萬個DNA堿基對進行了精確調整。CRISPR也可以用于治療艾滋，比如，從患者受感染的細胞中切除病毒的DNA，或者編輯患者的DNA，避免更多細胞受到感染。
CRISPR治療艾滋的小鼠實驗原理（圖片來自網(wǎng)絡）
基因編輯在臨床應用上的可能遠不止于此。由于CRISPR允許我們精準、直接地進行基因編輯，每一種遺傳病——只要我們知道它的突變基因——理論上都可以得到治療。事實上，醫(yī)生已經(jīng)開始使用改造的免疫細胞治療癌癥，這些免疫細胞攜帶著增強版的基因，可以更好地消滅癌細胞。雖然CRISPR離大規(guī)模臨床應用還有一段路要走，但它的潛力毋庸置疑：基因編輯有望提供新的治療方案，甚至挽救生命。
CRISPR技術的影響不止于此，除了治療疾病，它也可以預防疾病。它簡單有效，甚至可以用來修飾人類的生殖細胞系（germline），從而影響后代的遺傳信息。不必懷疑，這項技術有朝一日會被用于改造人類的基因組，長久地改變?nèi)祟惖倪z傳物質，雖然我們目前還不知道這一天何時到來。[2]
假定在人類中進行基因編輯是安全有效的，那么，在生命早期（最好是在有害基因的惡果出現(xiàn)之前）糾正致病的突變基因，不僅合乎邏輯，而且勢在必行。但是，一旦我們有機會把胚胎中的“致病”基因改造成“正?！被?，我們同樣有機會把“正常版”基因改造成“增強版”基因。如果我們可以降低孩子日后患上心臟病、阿爾茨海默病、糖尿病或者癌癥的風險，我們就應當對胚胎進行基因編輯嗎？進一步的問題是，我們要不要為這些孩子賦予某些有益的特征，比如更大的力氣、更優(yōu)越的認知能力，或者改變他們的身體特征（比如眼睛或頭發(fā)的顏色）？人類有追求完美的天性，一旦我們走上了這條路，路的盡頭是我們希望看到的結果嗎？
在現(xiàn)代人類出現(xiàn)的10萬多年來，我們的基因組一直被兩種力量塑造著：隨機突變和自然選擇?，F(xiàn)在，我們第一次有能力編輯自己以及我們后代的DNA——本質上，我們可以決定人類這個物種的演化方向。在地球的生命史上，這還是首次出現(xiàn)，我們還不知道該如何理解這個事實。但我們不得不開始思考一個不可思議但至關重要的問題：鑒于人類在諸多重大議題上爭執(zhí)不休、固執(zhí)己見，我們會把這種強大的力量用在哪里？
在2012年之前，我還從未思考過控制演化方向的問題——那個時候，我和同事剛剛發(fā)表了我們的研究成果，它為CRISPR基因編輯技術奠定了基礎。畢竟，這些工作一開始都是受著好奇心的驅使，我們感興趣的是一個看似完全不相關的主題：細菌是如何對抗病毒感染的。然而，在我們研究細菌的一種免疫系統(tǒng)（稱為CRISPR-Cas）的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一種了不起的分子機器，它能夠以極高的精確度把病毒的DNA切開。很快我們就知道了，這套分子工具同樣可以切割其他細胞（包括人類細胞）里的DNA。隨著這項技術被廣泛采用，并迅速改進，我不得不開始思考我們工作的長遠影響。
很快，科學家就把CRISPR用到了靈長類動物身上，并制造出了第一只進行過基因編輯的猴子。這時，我開始自問，這離應用于人類還有多遠？作為一位生物化學家，我從來沒有在模式動物、人體細胞，或者患者身上做過實驗，我最習慣的實驗平臺是細菌培養(yǎng)皿和試管。但是，此時此刻，我卻眼睜睜看著自己參與開創(chuàng)的一項技術可能會徹底改變我們這個物種以及我們生活的世界。它是否會不經(jīng)意間擴大社會不公或先天的“基因不平等”，或是引發(fā)新的“優(yōu)生學”運動？我們要面對什么后果？需要做哪些準備？
一開始，我認為要把這些討論留給受過專業(yè)生物倫理學訓練的人，自己繼續(xù)投身于火熱的生物化學研究。但與此同時，作為這個領域的開拓者之一，我感到有責任參與討論這個話題：這些技術可能如何被使用，應當如何被使用。尤其是，我希望更多的人參與這個討論，不僅僅是科研人員和生物倫理學者，也包括其他利益相關群體，包括社會科學家、決策者、宗教領袖、管理人員，以及普羅大眾。鑒于這項科技進展會影響到全人類，我們有必要讓社會各界人士都參與進來。更重要的是，我感到了開始這種對話的緊迫性，如果等這些技術已經(jīng)開始應用了再試圖加以約束，恐怕為時已晚。
于是，在2015年，我一邊操心著自己在伯克利的實驗室的運轉，一邊在世界各地的學術會議上展示我的研究工作，一邊也開始花越來越多的時間思考這個（對我來說）嶄新的課題。我回答了十幾位記者的提問，話題涉及“設計嬰兒”、“基因增強版”人類、使用改造豬為人類生產(chǎn)移植器官。就CRISPR的議題，我跟加州州長、白宮科學技術政策辦公室、中央情報局交流過，也回應過美國國會的問詢。我組織了第一個關于基因編輯技術，特別是關于CRISPR倫理問題的會議，因為這些技術影響到再生生物學、人類遺傳學、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護與健康。也是借助這次會議，我又幫助籌備了一個涉及面更廣的關于人類基因編輯的國際峰會，邀請到了來自美國、英國、中國及其他來自世界各地的科學家，和其他社會公眾。
在這些對話中，有一個主題反復出現(xiàn)，那就是：我們該如何使用這項新發(fā)現(xiàn)的技術。我們目前還沒有找到答案，但是，我們正一點點地接近它。
基因編輯迫使我們直面這個棘手的問題：改造人類遺傳物質的界限何在？有人認為，一切形式的遺傳改造都是邪惡的，違背了神圣的自然規(guī)律，傷害了生命的尊嚴；另一些人認為，基因組只是“軟件”——我們當然可以修改、清理、更新、升級它們，他們更進一步爭辯道，讓人類受制于有缺陷的遺傳信息不僅有違理性，也有悖道德?；谶@些考慮，我們倡議禁止在人類胚胎中進行基因編輯，而其他人則提議科學家放下顧慮，勇往直前。
我自己關于這個主題的思考也在不斷演變，但是在2015年1月，在關于人類生殖細胞系基因編輯的會議上，我聽到了一句令人印象深刻的評論。17位與會人員，包括本書的共同作者塞繆爾·斯坦伯格（Samuel Sternberg），坐在加州納帕山谷的一個會議桌旁，激烈地辯論我們是否應當允許研究人員編輯生殖細胞系。突然有人插了一句話，他平靜地說：“終有一天，我們會認為，不對生殖細胞系進行基因編輯來緩解人類的痛苦，才是不道德的?！边@個評論徹底扭轉了談話的方向。現(xiàn)在，當我再遇到那些家有遺傳病患兒的父母時，我總會想到這句話。
與此同時，CRISPR研究仍在不斷推進。到了2015年夏天，中國的科學家發(fā)表了他們的實驗結果：他們把CRISPR注射進了人類胚胎。當然，他們使用的是被遺棄的、已經(jīng)沒有生命體征的胚胎，不過，這依然是一個里程碑式的研究——這是人類歷史上首次嘗試對人類的生殖細胞進行精確編輯。
對于上述動態(tài)，我們有理由感到警惕。不過，我們也不能忽視了基因編輯給我們——特別是對遺傳病患者——提供的無比珍貴的醫(yī)療機遇。試想，假如有人知道了他/她攜帶著一份突變版本的HTT基因（這意味著他/她肯定會患上早發(fā)性失智癥），如果他/她能夠提前獲得基于CRISPR的治療，在癥狀發(fā)作之前就剔除突變的DNA，這會免去多少痛苦——而這種治療手段在以前是無法想象的。因此，雖然我們還在辯論是否應當對生殖細胞進行基因編輯，但我們也很小心地避免讓公眾對CRISPR產(chǎn)生敵意，甚至反對基因編輯技術的臨床應用。
對于基因編輯的前景，我感到歡欣鼓舞。無論在實驗室還是創(chuàng)業(yè)公司，CRISPR研究都進展迅速，后者更是得益于投資人和風險投資公司投入的巨額贊助。為了促進該領域發(fā)展，學術研究人員與非營利組織也在向世界各地的科學家提供廉價的CRISPR配套工具，以免他們受到技術條件的限制。
但是，科學進步不僅需要研究、投資和創(chuàng)新，公眾參與也是關鍵。目前，CRISPR革命主要發(fā)生在實驗室和生物創(chuàng)業(yè)公司里。通過本書的出版，以及其他同仁的努力，我們希望這些信息能更加透明地傳播給普羅大眾。
在本書第一部分，塞繆爾和我分享的是CRISPR技術背后驚心動魄的故事，包括它是如何從對細菌免疫的研究起步，以及如何受益于過去數(shù)十年里試圖改寫細胞DNA的研究工作。在第二部分，我們探索了CRISPR現(xiàn)在和未來在動物、植物、人類中的各種應用，我們也討論了隨之而來的巨大機遇與嚴峻挑戰(zhàn)。你會注意到，本書采用的是第一人稱的口吻。書是我們合作完成的，書中的觀點也是我們都認可的。之所以采取這種辦法，一是為了敘述清晰，二是為了更好地分享我這些年來獨特的經(jīng)歷。
本書的目的并不是為基因編輯的早期發(fā)展提供一份翔實的歷史記錄，我希望呈現(xiàn)的是最相關的一部分進展，讓讀者感受到我們的工作是如何與其他人的研究銜接起來的。對于書中的某些段落，我們在注釋里提供了參考文獻。這些研究論文是對討論的補充，我們鼓勵感興趣的讀者進行更深入的閱讀。最后，我們謹向參與了CRISPR和基因編輯研究的無數(shù)科學同仁表示感謝，限于篇幅，我們無法提及每一位同事的工作，我們對此深表歉意。
CRISPR是目前極為熱門的科學領域，我們希望本書可以揭示它的一些奧秘，并鼓舞你投身其中。關于基因編輯的討論已經(jīng)在全球展開，這是關乎世界未來的歷史性辯論。茲事體大，我們自當同舟共濟、建言獻策。
注釋
1.CRISPR全稱為clustered regularly interspaced short palindromic repeats，指成簇的、規(guī)律間隔的、短回文、重復序列?！g者注
2.2018年11月27日，中國科學家賀建奎宣布他應用CRISPR創(chuàng)造的世界首例可對艾滋病免疫的基因編輯胚胎（一對雙胞胎女嬰）已健康誕生。可以說，這一天已經(jīng)來了?！g者注
《破天機：基因編輯及其控制演化的驚人力量》，【美】詹尼佛·A·杜德娜、塞繆爾·H·斯坦伯格/著 傅賀/譯 袁端端/校，湖南科學技術出版社，2020年12月版。
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