为了研究自闭症,他们编辑了猴子的基因
2019-06-27 10:46

为了研究自闭症,他们编辑了猴子的基因

本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),翻译:柚子、阿澈,审校:子铭、EON,编辑:马小鸽、Carol,头图来自:东方IC


“文革”结束后,重新开放高考的第一年冯国平就参加了考试。那是1977年,“文革”十年间累积的570万学生参加了这次高考。冯国平是他所读高中里唯一考上大学的,之后被分配到医学院。


和大多数同时代有科学抱负的人一样,他很快就把目光投向了美国的研究生项目。他说:“相较于美国,中国当时真的落后了30到50年,没有办法进行前沿研究。”于是,1989年,他去了纽约的布法罗,在那里他第一次看到了几英尺厚的积雪,之后他在纽约州立大学布法罗分校获得了遗传学博士学位。


冯国平身材瘦小,有着僧侣般的平和,时常展露微笑。他目前在麻省理工学院担任神经科学教授,主要从事脑功能障碍的遗传学研究。他的实验室由45人组成,附设在麦戈文脑研究所之中——该研究所成立于2000年,麦戈文夫妇承诺将捐赠3.5亿美元科研基金,这是麻省理工学院有史以来收到的最大的一笔捐赠。简而言之,他的实验室并不缺少资助。


然而,冯国平现在每年都回中国旅行几次。因为在中国,他可以从事目前仍然无法在美国开展的研究。2018年1月,我在深圳见到了他。在他出国的30年间,深圳从一个小渔村变成了大都市。他刚下从波士顿飞来的红眼航班,就直奔中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT),他与这里与几位研究人员正进行合作。在该研究所的总部门前,有一个巨大的金属雕塑:一块主板和一个DNA双螺旋结构比邻而立——前者定义了20世纪的科技成果,而后者则被认为将定义21世纪的科技成果。


冯国平图片来源:MIT McGovern Institute for Brain Research


冯国平在深圳先进技术研究院组织了一次研讨会,他并不是唯一从美国前来的科学家,远道而来的还有他的几位同事,其中一位来自麻省理工学院的神经科学家对树鼩感兴趣——树鼩是一种原产于中国西南地区的小型哺乳动物,与灵长类动物亲缘接近。


还有一些华裔神经科学家,在匹兹堡大学和纽约州立大学上州医科大学研究成瘾。和冯国平一样,这些华裔神经科学家在上世纪八九十年代离开中国。那时,中国的年轻科学家为寻求更好的机会纷纷出国,他们就是那一时期出国潮中的一员。现在,他们回到中国,也是为了进行尖端研究——这些研究在美国成本太高,太不切实际,可能还过于伦理敏感。


在研讨会上,科学家们提到了在灵长类动物的大脑中使用一种强大的新型基因编辑技术——CRISPR的可能性。第二天,我和冯国平实验室的博士后周扬(音译)一起探索理论研讨背后的现实情况。我们的车在广东省开了几个小时,经过了摩天大楼、尘土飞扬的公寓社区,然后是大片的农田。在最后的半小时里,GPS信号逐渐消失。周扬拿出手机,查看了他之前来这里时拍的路牌照片。


基因编辑如何改变我们,基因编辑技术让我们拥有凌驾于所有物种之上的力量?


车在一个树木茂密的岔路口开始减速,周扬指了指路边的路标,说这个是全新的,上面用中英文写着育种机构的名字。(该公司不愿透露名字,因为它担心保护动物权益活动人士的强烈反对。) 周扬每次会在那里住几个星期。这个庞大的园区里有一间餐厅,以及员工宿舍。员工要照料数千只食蟹猕猴,这些猴子将被卖给为制药实验室和科研实验室提供动物的国际公司。


这个育种机构本身并不开展猴子基因工程计划。但冯国平意识到,由于猴子数量庞大,这里成为了新型基因工程技术的理想试验地。一位中国熟人已经在该机构研究干细胞了,所以冯国平和他的同事在那里开始实验并不难。


冯国平和该机构的合作源于新型基因编辑技术的推动,尤其是CRISPR这个席卷了全球的生物学研究技术。CRISPR利用蛋白质作为分子剪刀,使科学家能够追踪并切除特定基因。在CRISPR技术应用之前,对灵长类动物开展基因工程研究是一个费力的过程,科学家们只能进行非常有限的编辑。几乎没有研究小组尝试过这种项目,成功的更少。有了CRISPR技术,对猴子进行基因工程研究就可以像对小鼠一样容易。


冯国平主要针对小鼠进行研究。作为一名天赋异禀的年轻遗传学家,他发明的数个基因技术推动了对啮齿类动物大脑的研究。2011年,当周扬加入冯国平在麻省理工学院的实验室时,冯国平让他用实验室培育的突变小鼠研究自闭症。


这些小鼠是“敲除鼠”,它们的一种名为Shank3的特定基因被敲除了,或者说被废除了。在人类自闭症谱系障碍病例中,有1%到2%的患者出现了Shank3基因的突变,其中包括一些最严重的病例。这些患者表现出重复行为和社会意识缺乏,这是自闭症的症状。他们中的一部分人有重度智力障碍,而且不得不被禁锢在轮椅上。


这些“敲除鼠”的特征与Shank3突变的人类相似。这些小鼠的某些神经细胞发育不全,而且会重复清洁自己,有时甚至会抓伤自己的皮肤。


但是这些结果对人类有大适用性呢?啮齿类动物没有完整的前额皮质——大脑中负责人格、决策和高级认知功能的区域。它们不像人类那样进行社交。例如,避免目光接触是人类自闭症的典型症状,但即使是在健康的老鼠身上,眼神接触也是不可能的。“它们的眼睛在头两侧!”冯国平说道。自闭症研究人员对老鼠模型的适用性越来越怀疑。


为了给自闭症研究寻找一个更像人类的模型,冯国平开始寻找中国合作者来培育敲除了Shank3的猴子。目标不是让一只猴子患上自闭症,而是让它有足够的症状,以阐明导致自闭症的大脑结构,并测试能够缓解自闭症的药物。


如果他的Shank3项目成功,冯国平也想用猴子研究强迫症和精神分裂症等精神疾病。他告诉我,他的一个密友在大学里患上了精神分裂症,并自杀了——这是一场一直在他脑海中翻腾的悲剧。大脑里的东西怎么会变得如此扭曲?这个基本问题在过去三十年中鞭策着他进行脑功能障碍研究,他认为在猴子身上可能会找到一些答案。


几十年来,科学家们一直在对猕猴的社会行为进行分类,因此,对研究自闭症等具有强烈社会因素的疾病来说,它是更典型的模型。


在麻省理工学院,冯国平的实验室对一种名为狨猴的猴类进行了基因工程技术研究。这种长相怪异的猴子体型很小,因而饲养起来更便宜,但它们是一种相对较新的实验动物,很难在实验任务中进行训练。


因此,冯国平也想在中国的猕猴身上研究Shank3。几十年来,科学家们一直在对猕猴的社会行为进行分类,因此,对研究自闭症等具有强烈社会因素的疾病来说,它是更典型的模型。猕猴与人类的亲缘关系也比狨猴更近,这使得它们的大脑更适合代替人类的。


即使利用CRISPR这一先进技术,对猕猴进行基因工程研究也并非易事。研究人员首先给雌性猴子注射与人类体外受精所使用的相同激素。然后,他们收集卵子并使其受精,再用一根细长的玻璃针将CRISPR蛋白质注射到产生的胚胎中。猴子的胚胎比老鼠的敏感得多,注射试剂的pH值或CRISPR蛋白浓度的微小变化都会对其产生影响。只有部分胚胎会出现预期的突变,也只有部分能在植入代孕母亲体内后存活。一只存活的猴子需要几十个卵子,所以几只“敲除猴”需要一个大型繁殖群体。


第一只Shank3敲除的猕猴于2015年出生。很快又有4只诞生,现在总共有5只这样的猕猴。


为了探望他的研究动物,冯国平现在必须穿过12个时区,飞行8000英里到中国。当然,在美国进行研究要方便得多,但到目前为止,他还不能进行这种研究。


该研究中心是八个国家灵长类动物研究中心之一,由国立卫生研究院与当地机构共同资助。该中心位于马萨诸塞州的南镇,距离麻省理工学院校园仅20英里。但在2013年,哈佛决定关闭该中心。


这一决定令研究界感到震惊,并被广泛解读为美国对灵长类动物研究兴趣减退的征兆。国家灵长类动物中心一直是研究艾滋病毒、寨卡病毒、埃博拉和其他疾病的重要基地,可它也受到了公众的密切审视。像美国人道促进协会这样的动物保护组织派出调查人员在实验室里做卧底,媒体也对猴子死亡事件进行了充斥着恐怖细节的报道。


哈佛大学决定关闭中心的官方说辞是“金融”原因。但在此之前,有4只猴子在2010年至2012年间因处理不当而死亡。这些死亡事件备受瞩目,引发了强烈反对——示威者出现在研究中心门前。哈佛花了两年时间来逐步关闭灵长类动物中心,并于2015年正式关闭了该中心。


“他们自己搞砸了。”麻省理工学院的神经学家迈克尔•哈拉萨(Michael Halassa)在冯国平的研讨会上这样对我说。另一位演讲者姚卫东也加入进来,他指出,仅仅两年后,CRISPR就引发了对灵长类研究的兴趣。姚卫东曾是哈佛大学灵长类动物研究中心的研究员之一,他现在在纽约州立大学上州医科大学主持着一个实验室,该实验室使用转基因老鼠和人类干细胞进行研究,他来深圳是为了讨论重启他对灵长类动物成瘾性的研究。


美国科学家担心美国在灵长类动物研究上落后于中国。“我有两个担心,”宾夕法尼亚大学研究灵长类动物的脑科学家迈克尔·普拉特(Michael Platt)说,“美国在这些(灵长类动物)模型上投资不多。因此,我们无法获得中国的科学家那样的优势。”第二,他说:“我们可能会失去做灵长类神经科学的人才基础和专业技术。”


与此同时,中国正将自己打造成灵长类动物研究的国际中心。国际人道协会(Humane Society International)的中国政策专家彼得·李(Peter Li)说,虽然中国确实有一场蓬勃发展的动物保护运动,但活动人士主要关注的是宠物的福利。吃狗肉已经成为禁忌,对狗的医学实验也激起了愤怒,但对猴子的研究并没有受到同样的审视。


在20世纪90年代和21世纪初,一批猴子育种机构在中国成立了。这些机构培育用于出口的动物,主要售往西方的生物医学研究实验室。这意味着中国不仅有很多猴子,而且有很多研究猴子育种专家,他们可以做修改猴子基因组的精细实验。


Cornelia Li


当美国政府的生物医学研究预算基本持平时,中国的国家和地方政府都渴望提高他们的国际科学声誉,并把大量资金投入到研究中。


一个由来已久的传闻说,由政府资助的中国脑计划,应该会给神经科学研究,尤其是灵长类动物模型培育,投放巨大的资金支持。中国科学家的薪水也可能更高:由于深圳地方政府的资助,一名从海外归来的首席研究员在前五年可以获得300万人民币的补贴,约合50万美元。中国甚至成功吸引了耶鲁大学等美国顶尖学府的外国研究人员。


而对美国研究人员来说,在中国研究猴子是十分划算的。一只标准猴在中国售价约为1500美元——在美国约为6000美元,猴子日常的食品和护理费用也降低了一个数量级。


在过去的几年里,中国的猴子基因工程研究出现了小规模爆发。在昆明、上海和广州,科学家们已经培育出了能够显示帕金森症、Duchenne型肌营养不良症、自闭症等疾病症状的猴子。冯国平的团队甚至不是中国唯一制造出Shank3猴子的团队。另一个由埃默里大学的研究人员和中国的科学家组成团队也制造出了同样的猴子。


与西方相比,中国的研究进展得更快,在某些情况下受到的监管更少。


在中国期间,我还遇到了来自加州大学伯克利分校、目前就任上海神经科学研究所所长的蒲慕明。之后不久,蒲慕明所在研究所的科学家们就向世界宣布他们成功克隆了猴子。因其重要的价值,这两只克隆猴被命名为“中中”和“华华”,意为“中华民族”。蒲慕明对这一突破感到惊讶,他说,通过克隆技术,研究人员可以快速制造出一群完全相同的猴子,而非每次一只。研究猴子疾病模型的一个重要挑战就是制造出足够的研究用猴子。蒲慕明想在上海建立一个中心,以吸引来自世界各地的灵长类研究人员。


中国科学家对CRISPR的热情也延伸到了对人类的研究上。与西方相比,中国的研究进展得更快,在某些情况下受到的监管更少。因此,第一批利用CRISPR编辑人类胚胎的研究和第一批利用CRISPR进行的癌症治疗临床试验都出现在中国。


“中国当时的名声就像西部蛮荒。”麻省理工学院麦戈文研究中心的负责人罗伯特·戴斯蒙(Robert Desimone)说。他曾于2001年首次访问中国。


对假数据、假同行审查、假冒伪劣的研究用化学品和宽松的道德标准的担忧,一直困扰着中国科学界。但是,戴斯蒙说:“情况正在发生根本的变化。”最近对科学的投资把中国研究生和博士后从西方吸引回来,他们也带来了西方的标准。与美国研究人员的合作,就像冯国平和戴斯蒙在深圳先进技术研究院的合作,也将西方的标准引入了中国的研究机构。


罗伯特·戴斯蒙参加2018年麻省理工学院中国峰会,图片来源:Massachusetts Institute of Technology (MIT)


冯国平说,他的合作者在深圳先进技术研究院的研究受到了一个管理委员会的审查,该委员会类似于美国的实验动物管理和使用委员会(IACUC)。虽然实验动物管理和使用委员会主要由科学专家组成,但其成员也包括当地的社区人员。同时,任何委员会成员都可以提出伦理上的反对意见。冯国平说:“我们制定了标准。”这意味着他的团队要求其合作者达到或超过美国的标准。


与冯国平合作的育种机构的Shank3猴繁育设施也得到了实验动物护理认证协会(Accreditation of Laboratory Animal Care)的认可,该协会是一个国际非营利组织,负责监督实验室的动物福利条件。


该育种机构制定的实验室设施标准涵盖了众多细节:从安乐死实施细则到实验室走廊宽度标准。戴斯蒙和其他在那里工作过的科学家和我讲了许多关于设施的事情。当我们的车到门口的时候,我已经听说了很多关于供应给猴子的水果、玩具、现做的小面包的故事。


这个育种机构占地面积很大,从一端到另一端需要坐车,它甚至还有自己的污水处理系统。于是,我和周扬戴上口罩、发套、塑料防溅护罩、手套,穿上实验服和靴子,登上了一辆白色面包车。


工作人员警告我们,猴子们见到新来的人会很兴奋。果然,当我们的面包车来到繁殖地的几栋瓦片建筑前时,栅栏上出现了几十只小爪子,许多毛茸茸的脑袋突然冒出来看着我们。我当时穿着全套的防护装备,但因为没有做全套疾病检测,所以我被告知只能从远处看猴子。一名戴着面罩的工人打开一幢楼的门,好奇的食蟹猕猴探出头来。该物种原产于东南亚,有独特的头簇和长而卷的尾巴。“它们很优雅。”周扬说。一只母猴正抱着一只小猴崽。


我们接着去参观了幼年期的猴子,它们的笼子有小卧室大小。我看到了非常新鲜的水果,以及一个糕点房,厨师正在那里蒸甘薯和小面包。


这次参观是一次精心策划的活动,但设施管理员们仍然对美国记者持谨慎态度。当主席的助手认为话题进入敏感范围内时,会中断谈话。她强调了她所理解的动物权利活动家的教条主义:“他们认为你不应该用这些动物做实验,你应该保护动物。然而,他们不会尝试去理解人类的疾病和死亡。”随后,她告诉我,“但在中国法律之下,人类仍是首位。”


从那以后,在育种中心出生的Shank3猴子搬到了深圳先进技术研究院。在那里,周扬的合作者一直在训练它们完成各种行为任务。“猴子太聪明了。”周扬告诉我,声音里流露出真挚的感情。当问及他小儿子的年龄时,他回答说:“两岁。”然后又迅速补充说,“猴子现在三岁了。”就好像这两件事在他心里绑在了一起。


深圳先进技术研究院专门为麻省理工的研究人员建立了一个灵长类动物实验室。2014年2月,深圳先进技术研究院向戴斯蒙保证,在夏末之前,一座旧的学生楼将被改造成灵长类动物实验室。“我当时说,‘这是个玩笑。再过几个月就夏末了。’”戴斯蒙以一瓶茅台酒打赌,说他们不可能在最后期限前完成。深圳的主管和他赌了两瓶。戴斯蒙输了。


戴斯蒙说:“现在的情况是很多事情之前做得非常快,走了一些捷径,所以现在不得不回去改正。”为了获得国际认证,他们必须进行翻修。例如,地板可能没有接缝或灌浆线,这可能会滋生病原体。当我在一月份访问的时候,地板是灰色的塑料,闪亮而光滑。深圳先进技术研究院在2月初得到了他们的认可。


猕猴对面孔的细腻、敏感的洞察力是冯国平研究灵长类动物的原因之一。


在我去参观的那天,这些Shank3猴子已经接受了活检前的麻醉,但我去看了深圳先进技术研究院的其他猴子。每只食蟹猕猴都有一个同性别的同伴。有一对猕猴在笼子里的楼梯平台上轮流看我。当领头的猴子看到我回头看它们时,它就会有点害羞,躲在另一只猴子后面,然后这只也会变得害羞,它们会一遍遍地轮换位置。


猕猴对面孔的细腻、敏感的洞察力是冯国平研究灵长类动物的原因之一。当一只普通的猴子看到一只咄咄逼人的猴子的面孔时,它会瞪回去。它对中性表情面孔关注较少,会完全忽略顺从的面孔。如果Shank3猴不能识别这些社会暗示,正如某些自闭症患者无法识别其他人类的面部表情,就说明灵长类动物确实是这种疾病的一个很好的模型。为了达到这个目的,冯博士在深圳的合作者也在用核磁共振成像和脑电图对猴子的大脑进行研究,希望找出这一突变改变大脑结构的方式。


我无法在猴子实验室或育种机构拍照,原因很快变得显而易见。照片很有力,但我发现自己不太能盯着笼子和约束椅看,即使我提醒自己它们都是标准的实验室设备。被关在笼子里的猴子的生活突然显得很悲伤。


当我分别向冯国平和戴斯蒙谈及我的感受时,他们给了我相同的回答:实验室里的猴子受到了很好的照顾,而且,我不应该把野生猴子的生活理想化。野生猴子会生病、会被吃掉、会恶意地互相争斗,有时甚至致死。他们问,这比住在提供食物、住所和麻醉的实验室好吗?


在我访问深圳一周后,我在位于马萨诸塞州剑桥的办公室与冯国平会面。他提出了基因工程圈养灵长类动物以供研究的伦理问题。“这还处于非常早期的阶段,”他在我们的谈话停顿时表示,“你应该做什么?你不应该做什么?所有这些事情还没有最终定论。”


我问他,有什么事情是他认为我们不该做的吗?他立即做出回答,好像这个问题一直困扰着他似的。他说,一些患有癫痫的婴儿每天会发作好几次。“作为家长,你知道那有多痛苦吗?你完全没法帮助他们,你知道他们会死。”冯国平从中国的医学院毕业后,差点成为了一名儿科医生,但他无法习惯眼看着孩子们死去。


严重癫痫病患儿的父母曾问他是否有可能在猴子身上研究这种疾病。冯国平告诉他们,他认为在技术上是可能的。“但我也说过,‘我不确定我是否想制造出这样的模型。’”他回忆道。也许如果有一种药物可以控制猴子的癫痫发作,那时候说不定就可以。他说:“我不能眼看着它们一直发病。”


但是,他接着说,让这些婴儿死去而无所作为是否合乎道德?为了研究大脑紊乱而繁殖成千上万的突变小鼠是否合乎道德,即使你知道它们没法解释很多关于人类状况的东西?


冯国平说,只有在其他模型不起作用的情况下,而且只有在找到一条清晰的前进道路后,才应该使用灵长类动物。他说,他工作的第一步是使用Shank3猴子来识别大脑中突变引起的变化。


然后,研究人员可能会利用这些信息找到药物的靶标,这些靶标可以在同样的猴子身上进行测试。他正在和俄勒冈国家灵长类动物研究中心讨论在美国开展类似的工作。“最终,我们需要在这里做点什么,”他说,“这里”指的是美国,“我们不能完全落后。”加州国家灵长类动物研究中心的科学家们已经成功地对灵长类动物的胚胎进行了基因编辑,但是幼崽平安出生的消息还未见诸报端。


2018年10月,由美国国家医学院召集的专家会议将讨论编辑灵长类基因的意义。一个伦理小组将回答冯国平和其他研究人员正在问自己的一些问题:在猴子身上制造哪些疾病是可以的?在研究项目中使用的猴子应该被基因改造得更像人类吗?


该小组的发言人之一是约翰·霍普金斯大学伯曼生物伦理学研究所所长、国家医学委员会2011年主席杰弗里·卡恩(Jeffrey Kahn),该委员会建议停止使用黑猩猩进行生物医学研究。美国国立卫生研究院也在2015年终止了对黑猩猩研究的支持。为美国绝大多数生物医学研究提供资金的美国国立卫生研究院也通过拒绝资助,来有效地限制对猴子进行基因编辑的项目。


杰弗里·卡恩,图片来源:Johns Hopkins Berman Institute of Bioethics


我问卡恩,美国严格的伦理限制是否会让世界其他地方,如中国的研究人员超越美国的研究人员。他指出,不同文化的国家对这类工作可能会有不同的限制,这是可能的,甚至是完全可以接受的。他说:“如果我们不愿意并不能使用这项技术,就会失去竞争优势,但也许这正是我们必须接受的。”


与此同时,中国脑计划的关键人物蒲慕明告诉我,“没有伦理问题……我不认为在临床前试验中使用猴子作为疾病模型需要有任何犹豫或质疑。”他说,只要这些猴子得到很好的照顾,这与目前使用神经毒素在猴子身上诱发帕金森氏症的做法没有什么不同,也可以用来测试新的治疗方法。


随着灵长类动物神经科学研究的不断发展,科学家们总能找到猴子模型不完美的地方。换言之,就是猴子与人类不同的地方。在猴子身上起作用的药物可能在人体试验中失败。只有当基因编辑过的猴子模拟人类疾病非常成功时,即当它们作为模型最有用时,伦理问题才变得最麻烦。中国昆明的一位科学家提出用CRISPR技术将与大脑发育和语言有关的人类基因植入猴子体内,同样的基因工程技术在猴子身上也很可能在人类身上起作用。


在科学文献中,用于研究的猴子经常被简称为NHP,即“非人灵长类动物”。这一区别说明它是被改造出来的。


更新:由中国科学院深圳先进技术研究院和麻省理工学院等机构的研究人员组成的国际团队,已于近日在《自然》杂志上发表了有关非人灵长类动物模型的最新进展。


论文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1278-0

 


本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),翻译:柚子、阿澈,审校:子铭、EON,编辑:马小鸽、Carol

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