發(fā)布日期：2018-01-30

        編者按：近日，知名醫(yī)學(xué)博客作者David Grainger博士在Forbes發(fā)表了一篇名為“The Cult Of DNA-centricity”的長(zhǎng)文，分享了他對(duì)于基因療法時(shí)代迷思的一些思考。在今天的這篇文章中，我們也將整理Grainger博士的觀點(diǎn)，供大家一道思考和討論。

        了解DNA在生物學(xué)中的地位可以說(shuō)是二十世紀(jì)最重要的科學(xué)進(jìn)步，沒(méi)有之一。這是我們了解遺傳的分子基礎(chǔ)，并逐步了解遺傳密碼如何翻譯成蛋白質(zhì)，從而為人體的運(yùn)作機(jī)制提供全新的見(jiàn)解。

        遺傳的基本單位是基因，一段包含了制造一種蛋白所需信息的DNA。多種遺傳疾病如囊性纖維化和杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥的起因是單個(gè)基因的DNA序列中的錯(cuò)誤。

        20世紀(jì)的最后幾十年中，由于DNA測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，最終使得我們?cè)谇曛坏玫搅说谝粋€(gè)完整的人類基因組序列?；诖?，新的分子遺傳學(xué)研究確定了數(shù)以千計(jì)的造成人類疾病的基因突變。

        即使在今天，基因組革命依然在發(fā)揮漣漪效應(yīng)?，F(xiàn)在，第一個(gè)被批準(zhǔn)用于治療遺傳病的基因療法已經(jīng)上市，為RPE65基因突變的個(gè)體提供額外的正常拷貝，從而使患者可以合成正確的蛋白質(zhì)，從而治療遺傳性視覺(jué)退化癥。

        編碼正常凝血所必須的蛋白質(zhì)因子VIII的基因突導(dǎo)致A型血友病。這種缺陷的遺傳基礎(chǔ)在20世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)后，Genentech的科學(xué)家克隆了該基因的正常拷貝并將其插入到培養(yǎng)的細(xì)胞中，從而制備因子VIII。將純化的因子VIII注射給A型血友病患者，可以有效地治愈該疾病。但是患者本身不能生產(chǎn)有效的因子VIII，因此需要周期性地接受注射。

        下一步的目標(biāo)很明顯，那就是將基因的正?？截愔苯臃湃氩∪梭w內(nèi)。然而實(shí)現(xiàn)這一步花費(fèi)了三十年的時(shí)間，才逐步克服了將新的DNA序列引入人體的各種技術(shù)挑戰(zhàn)。但是現(xiàn)在基因療法已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，有多家公司正在爭(zhēng)相推進(jìn)“治療一次使用終生”的治療方案，給病人一個(gè)正常的基因拷貝，這樣他們就可以持續(xù)生產(chǎn)自己的因子VIII。

        基因治療的旅程到這里還沒(méi)有結(jié)束。隨著CRISPR的發(fā)現(xiàn)，生物學(xué)家可以直接編輯有缺陷的基因。下一代工具有可能可以像安裝新軟件一樣簡(jiǎn)單地進(jìn)行DNA編輯。

        面對(duì)這樣喜人的進(jìn)展，DNA在生物學(xué)中被放在核心地位也就并不奇怪了。讀取序列可以確定疾病的起因，糾正序列錯(cuò)誤可以治愈病人。同時(shí)，分子生物學(xué)語(yǔ)言也在支持這種以DNA為中心的觀點(diǎn)，分子生物學(xué)中心法則 “DNA → RNA → 蛋白質(zhì)”深入人心。這使人們覺(jué)得，如果我們能夠克服剩下的技術(shù)障礙，讓我們能隨意編輯DNA，就可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有疾病的烏托邦了。

        但是，這個(gè)以DNA為中心的敘述是否準(zhǔn)確？

        針對(duì)基因突變的基因治療的確令人振奮，但糾正DNA這個(gè)方法本身也有其局限。首先，這種以DNA為中心的框架在揭示所謂的“罕見(jiàn)疾病”（即一個(gè)或兩個(gè)基因的缺陷導(dǎo)致的早發(fā)性遺傳性疾病）的機(jī)制方面很成功，但卻并不能推廣到對(duì)于隨著年齡增長(zhǎng)而影響我們幾乎所有人的遲發(fā)性退行性疾病上。治療“罕見(jiàn)疾病”的驚人進(jìn)展與治療老年病方面幾乎完全沒(méi)有進(jìn)展（更不用說(shuō)治愈疾?。┬纬甚r明對(duì)比。對(duì)于2型糖尿病，自身免疫性疾病和神經(jīng)變性疾病如阿茲海默病，我們依然束手無(wú)策。

        由于在基因組革命早期發(fā)現(xiàn)了“罕見(jiàn)疾病”背后的遺傳基礎(chǔ)，我們普遍的假設(shè)認(rèn)為老齡相關(guān)疾病基本上也是以相同的方式引起的，只是涉及的基因數(shù)量較多（可能是幾十甚至上百個(gè)基因），這些基因可能分布于兩個(gè)或三個(gè)相互作用的生物途徑上。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）是一種用于鑒定與生物學(xué)特性（如疾病）相關(guān)的DNA序列改變的統(tǒng)計(jì)學(xué)框架，所有人都焦急地等待著通過(guò)這些研究來(lái)了解年齡相關(guān)的退行性疾病的原因。幾乎二十年過(guò)去了，我們還在等待。

        今天，顯而易見(jiàn)，答案將不會(huì)來(lái)自于全基因組關(guān)聯(lián)研究。但是，以DNA為中心的思想如此強(qiáng)大，大多數(shù)科學(xué)家似乎不愿質(zhì)疑這些遲發(fā)病的原因必須來(lái)源于基因變化的這一基本假設(shè)。

        第二個(gè)限制也是顯而易見(jiàn)的：DNA和數(shù)據(jù)一樣，本身不能做任何事情。你的計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)需要應(yīng)用程序來(lái)解釋它，屏幕和揚(yáng)聲器來(lái)展示它，鍵盤和觸摸屏與它進(jìn)行交互。類似地，DNA序列信息（盡管它存在于物理對(duì)象中，即DNA分子，就像計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)駐留在硬盤上一樣）在將其轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行功能的蛋白質(zhì)之前是無(wú)法有所作為的。

        而蛋白質(zhì)是執(zhí)行這些功能的關(guān)鍵，包括維護(hù)DNA序列（每次復(fù)制都會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，蛋白質(zhì)必須在這些錯(cuò)誤被永久地整合到序列中之前迅速修復(fù)），在每個(gè)細(xì)胞分裂時(shí)復(fù)制DNA，以及翻譯更多蛋白質(zhì)中的DNA序列。中心法則是不完整的，它應(yīng)該是：DNA → RNA → 蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)又能制造DNA。沃森和克里克（Watson & Crick）的表述將DNA置于層級(jí)的頂端，而實(shí)際上它是生命圈中的平等伙伴。

        這個(gè)定義的改變看起來(lái)很細(xì)微，但卻非常重要。所有疾?。ㄉ踔了械纳飳W(xué)特征）都是由蛋白質(zhì)的差異引起的，正如A型血友病是由于因子VIII蛋白質(zhì)缺乏引起的一樣。在這一遺傳病的例子中，因子VIII蛋白質(zhì)水平的差異恰好是由編碼它的DNA序列的突變引起的。

        但蛋白質(zhì)序列不僅僅是由基因序列決定的。蛋白質(zhì)不是一成不變的，它們是由氨基酸分子組成的，而這些分子容易發(fā)生變化，無(wú)論是受控的還是意外的變化。生物學(xué)家對(duì)蛋白質(zhì)的受控改變（例如磷酸化）非常熟悉，然而，意外的損害雖然可能同樣頻繁，但卻或多或少地被忽略了。氨基酸可以在一系列令人眼花繚亂的化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生改變，從空氣中的氧化反應(yīng)到與葡萄糖反應(yīng)，形成所謂的高級(jí)糖化終產(chǎn)物（縮寫(xiě)為AGEs，它隨著年齡積累，并且與老齡一詞恰好重合）。

        與DNA的研究相比，對(duì)于蛋白質(zhì)不穩(wěn)定性的研究缺乏激情，因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為DNA序列位于層次結(jié)構(gòu)的頂端。畢竟，如果一種蛋白質(zhì)被損壞了，那又如何呢？它將在一段時(shí)間內(nèi)被一個(gè)剛剛依據(jù)DNA藍(lán)圖翻譯出的閃亮的新副本取代。理論上，只要編碼的DNA序列保持健康，損壞的舊蛋白質(zhì)就會(huì)被完美的新蛋白質(zhì)取代。

        大多數(shù)情況下，這個(gè)假設(shè)是正確的。很難想象一個(gè)人由于蛋白質(zhì)受損而導(dǎo)致某種遺傳性疾病。從一開(kāi)始，進(jìn)化已經(jīng)選擇了相對(duì)穩(wěn)定的蛋白質(zhì)序列，除此之外，我們還有一系列清除舊的受損蛋白質(zhì)的機(jī)制。如血友病這樣的遺傳性疾病，雖然由蛋白質(zhì)功能的喪失 引起，但是實(shí)際上根源來(lái)自DNA序列的改變。

        那么，如果蛋白質(zhì)的損傷增加了它的穩(wěn)定性呢？情況就不同了，即使有一個(gè)完美的正?；蛐蛄衼?lái)合成完美的蛋白質(zhì)新副本，但是因?yàn)閾p壞版本的壽命更長(zhǎng)，它會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸積累。最終，功能改變的受損蛋白質(zhì)的量可能變得足夠高，從而改變細(xì)胞或組織的功能。此時(shí)，我們觀察到的則是由毒性增加而不是由功能喪失引起的特征或疾病。

        這就解釋了為什么阿茲海默病，糖尿病或自身免疫等與年齡有關(guān)的疾病常常需要幾十年才能發(fā)生（即使您的基因組序列與您出生的那天相同）。 受損蛋白質(zhì)的潛在積累是個(gè)緩慢的過(guò)程，這也解釋了為什么GWAS研究未能找到這些疾病的誘因的原因——因?yàn)榇鸢笍膩?lái)不在DNA序列中。

        “老化和與年齡相關(guān)的退行性疾病，是由蛋白質(zhì)損傷而不是由DNA損傷引起的。”在以DNA為中心的科學(xué)界，克羅地亞斯普利特地中海生命科學(xué)研究所（MedILS）的Miroslav Radman博士提出的這一假說(shuō)，沒(méi)有被給予足夠的重視。對(duì)于新一代的生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，中心法則已經(jīng)印在他們的大腦上，是與生俱來(lái)不可置疑的，他們很難想象不是源于DNA序列的疾病機(jī)制。

        然而，這一切都不應(yīng)該讓人吃驚——大多數(shù)讓你成為一個(gè)獨(dú)特個(gè)體的東西是編碼在身體細(xì)胞和蛋白質(zhì)的三維模式中，而不是在你的DNA中。例如，你的記憶沒(méi)有DNA的基礎(chǔ)——它們存在于你大腦的神經(jīng)聯(lián)系中。你的皺紋，如果有的話，不是由基因組編碼，而是積累變化的皮膚蛋白質(zhì)老化的結(jié)果。你是你的基因產(chǎn)物，但也是你環(huán)境歷史在你的蛋白質(zhì)上留下持久印記的產(chǎn)物。

        一旦中心法則被擴(kuò)展為一個(gè)循環(huán)，老化對(duì)基因組和蛋白質(zhì)組損害的必然重要性就會(huì)變得明顯?；虔煼?，無(wú)論是傳統(tǒng)的體細(xì)胞基因轉(zhuǎn)移還是下一代的基因編輯策略，不足以實(shí)現(xiàn)人們希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。但要說(shuō)服科學(xué)界相信這一點(diǎn)，還需要很多工作。

        好在，積極的一面是，這種想法開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域——蛋白質(zhì)組損傷研究。通過(guò)尋找在與年齡有關(guān)的疾病中累積的受損蛋白質(zhì)變體（Radman博士稱之為超穩(wěn)定危險(xiǎn)變體），科學(xué)家們可能揭示阿茲海默病和2型糖尿病等疾病的真正原因，研發(fā)新的藥物。蛋白質(zhì)組不穩(wěn)定革命比基因組革命承諾著更大的醫(yī)學(xué)進(jìn)步。

        而我們必須克服對(duì)DNA的崇拜。

        參考資料：

        [1] The Cult Of DNA-centricity

來(lái)源：藥明康德