人类细胞设计

理论上来说，到2030年中期或2040年，人类将登上火星。届时，我们可以直接观察火星对人体带来的影响，检验“分子风险缓解”计划的效果。一旦踏足火星，我们将能在大量新定义的环境下，在更多细胞类型和生物体上，测试更加广泛的基因工程设计。正如我们目前在地球上所做的那样（出于安全考虑），大部分的基因工程先从动物开始，逐渐过渡到人体。届时，我们或许可以改变DNA，修复损伤的基因，找到抑制肿瘤的方法，明确与细胞和氧化应激相关的通路表达。通过选择性添加或删除人类基因组的片段来改变基因，我们将会了解到如何在改变细胞的同时保留其固有的特性。我们目前持有的观点将发生变化——从人类基因组到人类出生。关于“基因盔甲”的试点实验即将开始，我们所掌握的来自两个物种的经验教训，足以证明这个实验是具有可行性的。

向大象学习

我们的第一课来自大象所具有的奇特遗传现象。大象的体型明显比人大，体内大约有1000万亿个细胞，而人类的细胞大约仅有70万亿个，人们猜想，大象有更多“出错”的可能，而这将导致基因突变，引发癌症。但令人惊讶的是，情况并非如此。事实上，大象患癌的概率比人类患癌的概率低三到五成，对于体型更加庞大的鲸鱼来说，情况亦是如此。许多研究人员都注意到了这个现象，包括牛津大学的统计流行病学家理查德·佩托（Richard Peto）。1975年，佩托关注到这一悖论，倍感困惑。如今，这个悖论被称为佩托悖论。佩托是第一个将人类与小鼠进行比较的研究者，他指出，人类的寿命大约是小鼠的30倍（人类的平均寿命为75年，而小鼠为2.5年），且拥有比小鼠多1000倍的细胞。理论上，人类患癌的概率比小鼠多100万次。大象的细胞是人类的100倍，但大象却更少患癌，这是为什么呢？

通过以下事实，我们可以解答这个问题：不同物种的细胞生长和分裂速度不同，这导致患癌的概率不同。在一个物种和单个人体中也是如此，不同类型的细胞会以不同的速度繁殖。例如，相比于心脏中更稳定的心肌细胞，骨髓中的血细胞等高度增殖的细胞，发生癌变的概率更高。但是随着研究的推进，人们还注意到了一些特殊现象。大象的TP53基因存在明显差异，这个基因是癌症中最常见的突变基因之一，通常被称为“基因组的守护者”，因为它能够检测DNA损伤，迫使细胞在细胞凋亡的过程中自杀。显然，该基因在人类和大象中都很重要。约书亚·希夫曼（Joshua Schiffman）和文森特·林奇（Vincent Lynch）的实验，以及发表于2016年的两篇论文提供了一条重要线索，为我们揭示了大象的独一无二之处。

希夫曼和林奇的研究表明，大象并不只有一个TP53副本，它们的基因中有20个该基因的副本。此外，大象还产生了额外的TP53蛋白副本（被称为p53），这意味着大象的细胞能够更加积极地扫描DNA损伤。研究表明，大象的细胞对辐射造成的DNA损伤更加敏感。它们的细胞凋亡（死亡）率比人类细胞高得多。和大多数基因一样，人类只有两个副本（一个来自母亲，一个来自父亲），但大象有多个副本，由此产生了一个显而易见的问题：能否在人类细胞中加入额外的TP53副本，从而产生更强的癌症抵抗力？答案是肯定的。我们可以将大象基因的一部分转移到小鼠的细胞中，检测辐射反应后发生的变化，这种变化显示出凋亡的细胞被激活了（被称为caspase-3）。希夫曼和林奇表示，有了额外的基因，小鼠对辐射的反应比之前更强烈了。

然而，生化成分和剂量的平衡至关重要，无论对午夜鸡尾酒还是人类细胞的基因表达水平来说都是如此。目前，根据将新基因嵌入人类细胞及改变现有细胞表达的测试可知，其中存在很多风险。对基因组的修补必须达到平衡，以确保基因的剂量（活性）处于正常水平。

如此细致的基因剂量已经在人类细胞内自然实现。例如，所有女性的细胞核中都有两条X染色体，而男性只有一条X染色体。男性的Y染色体并不能弥补这一差异，因为它只含有约200个基因，而X染色体包含1000多个基因。因此，如果两条染色体在不同性别中的活跃程度相同，女性的X染色体将产生过多的活动。为了平衡这种差异，我们可以通过“剂量补偿”来控制额外的染色体，从而确保女性的两条X染色体中的大多数基因被压制，与男性的单条染色体的活性平衡。然而，仅仅删除整个染色体以匹配基因活性的“剂量”，并不是解决问题的最佳方式。如果女性出生时只有一条X染色体，她就会患上特纳综合征［*译者注：特纳综合征，也称为性腺发育不良或先天卵巢发育不良，由Henry Turner于1938年发现。这是一种先天性染色体异常疾病，是由性染色体全部或部分缺失引起的，临床病征包括身材矮小（身高约140厘米，但可达常人水平）、手脚淋巴水肿、宽胸阔乳、低发际、蹼颈。患病女孩通常性腺功能不全（卵巢无功能），从而导致闭经和不孕］。因此，我们需要仔细调整基因表达剂量。

就TP53而言，目前的研究证实，不可控的高水平TP53会导致衰老速度加快。那么，大象为何既能长寿又不患癌症呢？事实证明，并非所有大象都有相同的TP53副本，有些实际上是逆转基因（一种假基因），还有一些是p53的守护者。裸鼹鼠也具有独特的抗癌能力，它们会对自己的p53进行特殊处理，这一过程的原理尚未被人们完全掌握，但很可能与大象的处理方式类似。将一个物种的细胞与另一个物种的进化史相结合，我们可以从中得到经验教训，基于此，更好地保护人类和所有物种的细胞，而这些细胞将伴随我们飞离地球。

向水熊学习

一种完全不同的、经过验证的“内部基因铠甲”的设想，来自一种缓步动物。它极易在水中找到，看起来像一只可爱的微型熊，通常被称为水熊。人们甚至为水熊专门开设了Twitter账号。水熊几乎可以在任何地方生存，包括真空、辐射极高和干燥（脱水）环境。20世纪初，人们就了解了这种嗜极生物的能力，并将其所拥有的抗干燥性和抗辐射性联系起来，但究竟是什么赋予了这些微小生物这样一种惊人能力，至今不得而知。2015年，基因组测序工作完成，日本的东田正彦、竹下久田，以及北卡罗来纳大学的鲍勃·戈德斯坦（Bob Goldstein）等所在的多个研究小组，都参与了这项工作。

缓步动物对X射线和其他辐射的耐受性极高，人们认为这是因为它们适应了严重脱水的环境。严重脱水会损害生物体内大多数分子，就像干燥的皮肤会开裂、产生裂纹，甚至出血一样，细胞脱水也会导致生物体内的分子被损伤。由于快速脱水，DNA、RNA、蛋白质及生物体细胞中的所有基本成分都会被撕裂，就像被X射线照射一样。

那么，缓步动物是如何在干燥和重度辐射环境中生存的呢？我们怎么知道是哪些基因起到了最大的作用？库尼达团队的设想是，观察哪些基因在干燥过程中会被激活，并持续观察这些基因。但是，从脱水到补水，基因表达并没有显示出明显差异，这表明缓步动物可以在没有明显基因表达变化的情况下进入脱水状态。基于这个结果，研究小组推断，一个持续性表达（连续不断）的基因将是一个更好的候选基因，“管家”基因也可以，因为这种类型的基因在细胞中总是活跃的，能够维持生物体内的正常秩序，就像一个从不休息的分子管家。

这就是独特的缓步动物基因成为焦点的原因。大多数被确认为缓步动物特有的基因都被持续性表达为蛋白质，它们在胚胎阶段到成年阶段都保持活跃。然而，在由这些缓步动物特有的基因产生的几十个独特蛋白质中，只有损伤抑制（Dsup）蛋白能够与核DNA同位。这一发现清楚地表明，该蛋白可以与DNA相互作用，并且有可能具有保护DNA的作用。

于是，新一轮测试开始了。我们需要了解Dsup是否真的能提高抗辐射能力，以及它是否能在一个全新的环境——人类细胞中做到这一点。要测试这一点，我们需要先创造出具有Dsup蛋白的人类细胞，然后用X射线对其进行处理，X射线可以通过两种方式破坏基因。值得注意的是，X射线的能量可以直接被DNA吸收（直接作用）并打破遗传分子；它也可以起到间接作用，从被X射线能量激活的水分子中诱发活性氧（ROS）。通过基因工程方法，日本的研究团队在人类胚胎肾细胞（HEK293）中用一个持续性表达的启动子来表达Dsup。因此，Dsup将保持活性，使人类细胞与水熊细胞变得相似。

正如预计的那样，过氧化氢（H2O2）导致对照组HEK293细胞中大部分DNA严重断裂（71%）。相比之下，表达Dsup细胞中的DNA碎片被大幅抑制，仅占总DNA的18%。因此，Dsup蛋白能够使DNA免受活性氧和X射线的伤害。该团队还尝试用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）对细胞进行预处理，显著抑制了由过氧化物诱发的单链断裂（SSBs）。这种“超能力”可以结合起来——在同时使用NAC和Dsup时，会产生更强的抑制作用。对活性氧的保护如此，对双链断裂（DSBs）的保护亦如此，通过这种方式可将双链断裂减少至40%。此外，表达Dsup的人体细胞不仅受到的辐射损伤更少，而且生存能力和生长能力更强了。

通过这些实验，研究人员首次将缓步动物的基因置入人类细胞，证明了它不会抑制细胞的生长。但这仅仅是一个基因，局限于一个细胞系中，而不是整个身体。目前，我们尚不清楚将其置入人体会产生什么影响。以大象和缓步动物为对象的实验成果令人兴奋，但如果我们进一步扩大研究范围，又会发生什么？我们如何同时处理更多基因？这项技术是否还有改进的空间？

通过康奈尔大学实验室的研究，我发现通过整合和调控Dsup基因，以及修改人类基因组中的其他基因，可以大大降低DNA损伤率，这将是2021年至2040年的关键任务。届时，所有生物体的基因都将为创造和完善人类的细胞提供重要帮助。

但是，我们该如何迈出第一步呢？

设计新细胞的方法

如果将生物体比喻成一碗汤，那么基因转化就是一种将成分从一碗汤转移到另一碗汤的方式。多种基因整合和转化是有可能实现的，这包括引导外来DNA进入新细胞的不同方法。例如，通过使用细菌“打包细胞”培养大量DNA，以及将DNA整合到真核细胞的转染技术。其中一些技术是在20世纪50年代至20世纪60年代研发的，当时它们被用来在不同的细菌之间（微生物转染）移动质粒（移动遗传元素）。那时，为了制作这些质粒的副本，第一批克隆方案日渐完备。但是，要想真正了解细胞工程，我们需要知道如何测量细胞的基因组内的构成。

较新的克隆方法是在20世纪70年代至20世纪80年代发展起来的，那时，科学家们开始寻找克隆质粒的方法，他们用聚合酶链式反应（PCR）——一种对目标进行持续加倍复制的化学反应——来增加这些产物。如果你得到一个特定的基因序列，并在该序列的末尾和开头使用“引物”来“诱发”反应，那么你就可以从单个DNA片段中扩展一个副本。因此，一个副本变成两个，两个变成四个，四个变成八个……以2n个副本的速度发生变化。基于此类研究，凯利·穆利斯（Kary Mullis）获得了诺贝尔奖，他用这种简单方法引领了现代分子生物学的时代。

基于PCR，各地的科学家们茅塞顿开。这项革命性的技术是绘制人类基因组图谱的关键，也引领了此后的一系列实验，如1995年克雷格·温特（Craig Venter）的细菌基因组（即流感嗜血杆菌）实验，1999年杰拉尔德·鲁宾（Gerald Rubin）的果蝇基因组实验等。如果能够对各种生物体的DNA进行测序，我们就能知道在以碱基水平分辨率进行转染和基因组操作时会发生什么。

有些人在阳光明媚的周末去海滩仅仅会被晒黑，而其他人则会被晒伤，不同种类的细胞，其转化的难易程度也不完全相同。有些细胞非常容易转化，它们很乐意从环境中吸收DNA。然而，还有一些细胞很难转化。例如，放射性球菌能够吸收细菌并立即使用所吸收的细菌。

然而，大多数生物体不喜欢外部DNA入侵，这相当于地铁上的某个陌生人突然把食物塞进你的嘴里。例如，植物有一个内置的、坚硬的纤维素细胞壁，其作用是确保DNA不会漂浮在里面。真核细胞就像人类的细胞那样，拥有活性酶（DNAses），还有一些相应的方法来防止DNA、RNA（RNAses）入侵。这些酶和物理结构能够抵御病毒、细菌和外来生物，由单个细胞、果蝇、人类的主动免疫系统进行延续。

由于人类细胞不喜欢接受外来的DNA，因此我们只能通过人工方式将其引入，这个过程就是转染。你需要使用一种感染性制剂，并将其从一个生物体转移到另一个生物体中，使该宿主器官接受外来的DNA。这可以通过一种感染因子来完成，感染因子可以利用表面上已有的分子，使细胞膜打开，从而让DNA直接进入细胞。

转染DNA的病毒法

对于转染和转化来说，有多种方法能够引导系统，以便接受新的DNA。对于转染，你需要利用裸露、纯化的细胞，并且增强它们的吸收能力。这个过程包括磷酸钙共沉淀、脂质体、电穿孔（电击细胞，就像弗兰肯斯坦的闪电）、基因枪（实际上是将基因射入细胞）、显微注射等。对于转化来说，这个过程要简单得多，因为大多数细菌很乐意吸收DNA，所以你只需要进行电穿孔或利用化学转化等方法来培养细胞。

人类细胞中存在两种转染，这是以它是暂时的还是稳定的来划分的。暂时（临时）转染意味着新的DNA片段来来去去，通常与被转染的表型（性状）一起出现，因此，我们能够在短时间内测试出“转基因”表达的影响。这种非永久性的转变可能是治疗性干预的理想选择，在这种情况下，基因表达只需很短的时间来完成临床目标，而长时间表达可能导致患者面临更大的风险。顾名思义，稳定转染的细胞是指那些将外来DNA永久地整合到其基因组中的细胞。如果你想知道一个细胞在调控过程中的持续变化，或者一个生物体在其整个生长过程中如何被一个外来DNA改变，那么稳定转染就是最佳途径。这意味着基因有效载荷是宿主基因组的组成部分，就像从其父母传下来的其他基因一样，被永久地整合在一起。在这种设计中，随着时间的推移，我们可能会添加许多不同的元素，以评估这个添加过程对于细胞整体功能的影响。

然而，对于稳定转染的细胞系（*译者注：可长期连续传代的培养细胞），要想获取外来DNA，可能需要利用病毒的破坏性作用。一种常见的方法是慢病毒感染和一种腺相关病毒（AAV）。在这两种情况下，需要用一种病毒来感染细胞，将基因载荷偷运到细胞核中，然后整合到宿主的基因组中。如果它插入到控制基本基因的区域附近，如肿瘤抑制因子，并进一步攻击宿主的调控框架，就可能造成破坏。这就像在一条小河的中央种一棵树，树的存在将影响水的正常流动。此外，整合可能不止发生在细胞中的一个区域，整个宿主基因组的所有位置都有这种可能性——每个工程化细胞都是独一无二的。这种缺乏预测性的异构性事件会产生额外的剂量问题，即每个整合基因的影响是累加的，导致细胞整合越多，反应就越大。因此，稳定转染可以带来长期结果，并稳定表型，但出错率更高。

此外，并非所有的人体细胞都是这样的。由于表观遗传（在基因组的“顶部”）调控的改变，你的细胞被编码，从最初的单一细胞分化成了如今独一无二的你。表观遗传调控过程，控制着人类基因组31亿个碱基中哪一部分会开放。每个人类细胞中的基因在染色质（DNA的包装）的DNA蛋白质结构中被激活和利用，如果染色质是开放的，它就能成为整合病毒的主要场所。

虽然这听上去令人毛骨悚然，甚至颇具入侵性，但这个现象普遍存在于整个人类演化过程和日常生活中。在我们的细胞中，存在整合病毒的大量证据。如果你的基因组是一本100页的生命指南，那么其中8%都是病毒。我们的基因组中有许多种内源性病毒，其他哺乳动物和植物亦然。转座子（Transposons）是一种跳跃基因，能在同一基因组内复制、粘贴DNA片段。转座子是由芭芭拉·麦克林托克（Barbara McClintock）最先发现的，用来解释色彩斑斓的玉米粒颜色（她因此获诺贝尔奖）。亚历克斯·肯蒂斯（Alex Kentsis）博士和我们小组的研究成果也表明，反常的转座子会导致癌症。逆转录转座子（Retrotransposons）与转座子一样，也是通过复制、粘贴进行移动的，但它们使用了RNA而非DNA来进行跳跃。同样，人类内源性逆转录病毒（HERVs）可以在人类基因组中被激活，从RNA转化为DNA，然后再整合到基因组中。众所周知，艾滋病病毒（HIV）也是这样整合到宿主基因组中的，此类事件只是冰山一角而已。

除了HIV，其他病毒也可以直接潜入你的基因组，给自己做个窝，就像你大学时的无良室友，把你的房间搞得一团糟，未经允许就吃了你的食物，而且还不付房租。其中的典型代表之一是人乳头状瘤病毒（HPV），60%以上的宫颈癌就是由它引发的。这些病毒会聚集在宿主的基因组中并破坏基因表达。疱疹也会汇集到基因组中，在你的细胞中安营扎寨。常言道：“爱情转瞬即逝，疱疹隽永流传。”这些整合病毒在细胞核中进行复制，其他病毒在细胞质中增殖（如寨卡病毒、西尼罗病毒、丙型肝炎病毒），但不会整合到基因组中。

人类并非单独与病毒斗争。猪有自己的内源性逆转录病毒，称为猪内源性逆转录病毒（PERVs），它是合成生物学的最大挑战之一。一家名为Editas Medicine的公司正在努力将PERVs从猪的基因组中分离出来，从而让人类器官在猪体内存活，再将这些器官从猪体内取出，移植到人类身上，以改善人类器官短缺的状况。如果在移植前不对PERVs进行抑制，这些在猪体内培养的器官就会被人类免疫系统排斥，引发排异反应（更多内容见第5章）。

事实上，无须直接整合基因组，病毒也能进人类细胞中。例如，小时候很多人都会得水痘，随后自己就解决了感染问题。然而，水痘病毒有自己的想法，像许多其他偷偷摸摸的传染源一样，它们会滞留于人体细胞内。这种病毒不会被人体清除，而是藏在身体各部位的神经元里。当免疫系统遭到抑制或病毒被重新激活时，就会出现令人痛苦的线状感染性皮疹，这种情况通常发生在老年人身上。

最后要提到的是，一些癌症甚至可以像流感一样传染。袋獾（*译者注：又称塔斯马尼亚魔鬼，大嘴怪，常常会患面部肿瘤病）的外表很奇怪——它们仿佛是存在于噩梦中的生物，看起来像是由狂暴疯狗与害羞蝙蝠交配而来的。的确，袋獾在交配过程中经常互相撕咬。在交配前，它们会不断咆哮、撕咬面部，将其作为前戏（如果你喜欢这样，请恕冒犯），这使得一种致癌病毒在袋獾之间传播。据推测，这些由病毒感染的肿瘤细胞的克隆体，至少存在一百年了，导致袋獾面部出现肿瘤，状若魔鬼。

鉴于这种情况，利用病毒来进行基因传递，确实令人不安。但我们需要承认，这种情况在生物学中实属寻常。幸运的是，人们对其的理解逐渐深入。目前，这种方式被应用于多种疾病的治疗，并可能沿用到2040年。同时，基因有效载荷的传递、编辑和监测方法不断出现，在降低风险的同时也提高了可预测性。我们已经知道大幅降低基因工程风险的方法了，实现这个目标只是时间问题。