2020年拿獎，2023年成藥，第一個CRISPR藥物呼之欲出

很多喜歡科普故事的讀者，對沃森克里克于1950年代初在英國卡文迪許實驗室解開DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的故事已經(jīng)耳熟能詳了，但是同期發(fā)生在他倆辦公室隔壁房間的故事幾乎同等精彩，知道的人卻很少。

那是在1956年，一個叫Vernon Ingram的28歲的英國博士后，在克里克和沃森兩位大師（當年他們還不是大師）隔壁的生化實驗室里，比較兩種人類血紅蛋白酶切碎片的電泳圖樣。他發(fā)現(xiàn)，人類鐮刀型貧血病人的血紅蛋白和正常人相比，差別僅僅在一個點上。

其實他剛加入Max Perutz課題組時，從導師手中領(lǐng)取的是一個不同的項目：在人類血紅蛋白分子中嵌入一個重金屬原子，其目的在于加強X射線解析蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的能力。Ingram很快完成了任務(wù)，這個工作直接導致了Perutz于1962年因為解析血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)獲得諾貝爾化學獎，當然Ingram的工作因為是輔助性而非原創(chuàng)，所以他沒有能夠共享。和Perutz分享諾獎的是他的實驗室伙伴 John Kendrew，因為他解開了肌紅蛋白的晶體結(jié)構(gòu)。也就是說，在當年卡文迪許小樓里兩個僅隔一墻的擁擠房間里，就出了四位諾貝爾獎得主。在他們的影響下，因為提前完成課題而無所事事的Ingram有機會依個人興趣自由發(fā)揮，開始了自己學術(shù)生涯中一段最有創(chuàng)意的時光。

他試圖確定鐮刀型貧血病人血紅蛋白的異常來自何處。這種貧血病是一種遺傳病，主要來自非洲，表型是在缺氧的情況下，病人的紅細胞里的血紅蛋白會不正常地聚合成長條，把本來應(yīng)該是圓形的紅血球給拽成鐮刀型，從而造成一系列病理現(xiàn)象，比如血細胞不正常聚合，破裂，血管阻塞，器官受損等，這種病人的預(yù)期壽命比正常人短20年。

Ingram使用的鐮刀血病人血樣是上一位做該課題的訪問學者留下的，對照的正常血樣他就從自己的胳膊上抽。把大分子蛋白用酶切成小塊，并使用二維電泳分離鑒定的方法是Ingram從Frederick Sanger找到的靈感，這位就是一個人獨得兩次諾貝爾獎的那位桑格，當時他離得有點遠，其實驗室在幾個街區(qū)之外，不過 Ingram走10分鐘過去也能討教一番。桑格用這個他原創(chuàng)的技術(shù)解開了胰島素的序列之謎，拿下了1958年的諾貝爾化學獎。但是Ingram的課題比桑格的還難上十倍，因為血紅蛋白比胰島素分子大十倍， 也更復(fù)雜十倍。

經(jīng)過三年艱苦細致的工作，Ingram等人發(fā)現(xiàn)了鐮刀血病人血紅蛋白和正常人差別的那一個點，是一個帶正電荷有可溶性的谷氨酸殘基被一個無電荷且疏水的纈氨酸所取代，所以這個片段在蛋白質(zhì)的電泳指紋圖譜中移動速度不同，才能被科學家們捕捉到。這個差別會造成突變蛋白的水溶性特別差，容易自身聚合在一起把紅血球撐變形，這是人類先天的遺傳突變造成的。

這個紅圈中的點位移了

現(xiàn)在我們知道人類基因組有大概三十億個堿基對，而其中區(qū)區(qū)一個堿基對的突變，就造成了紅細胞的徹底變形，和折磨患者一生的鐮刀血病的癥狀，所以這個結(jié)果一問世就引發(fā)了世界的震驚，這個病例也是人類發(fā)現(xiàn)的第一個”分子病“。那么也許有人要問，引發(fā)如此嚴重疾病的這個基因突變，為什么沒能在進化中被淘汰掉？這原因在于鐮刀血病人的紅血球?qū)Ο懺x有一定的抗性，所以這個要命突變也并非一點好處也沒有，恰恰相反，它在瘧疾流行的熱帶地區(qū)的好處還特別大，比如非洲和印度的某些地區(qū)，所以就在進化被被保留下來。隨著幾百年來世界人口的流動，這種疾病逐漸在全球各地都能看到了。

也正是因為這種病的患者以非裔為主，由于他們社會經(jīng)濟的平均地位相對較低，多年來有實力的大藥廠對這種市場廣闊的疾病居然興趣不足，導致藥物選擇十分有限。最有效的治療就是骨髓移植，因為移植的正常骨髓可以生產(chǎn)正常的造血細胞和血紅蛋白。但是，能找到匹配的骨髓供體是比較難的。

另一個思路就是，求人不如求己。

原來，成人血紅蛋白是由于甲型和乙型兩條鏈構(gòu)成的，Vernon Ingram發(fā)現(xiàn)的那個鐮刀血病的突變，僅僅發(fā)生在乙型鏈上。而該病人在出生前的胎兒階段，輸氧主力卻是另外一種蛋白組分，叫做胎血紅蛋白，它是由甲型和丙型鏈構(gòu)成，也就是說這個要命的突變乙型鏈不會來搗亂。遺憾的是，隨著病人的出生長大，他們丙型血紅蛋白鏈的生產(chǎn)就慢慢被減弱甚至關(guān)閉了，異常的成人血紅蛋白慢慢做大，病情就逐漸發(fā)作。

藍線代表正常的胎型血紅蛋白在出生后下降

如此，一個簡單的思路就是，如果有一種療法，能夠延續(xù)自身胎血紅蛋白，也就是正常丙型鏈的持續(xù)生產(chǎn)，那么病人紅血球就能夠得到保護，運氧機制也就恢復(fù)了？

目前大藥廠對鐮刀血病的重視已經(jīng)大大提高，陸續(xù)開發(fā)出幾種能夠恢復(fù)胎血紅蛋白的藥物或者候選藥物。其中最搶眼的一個叫做Exa-Cel，在兩天前FDA開獨立專家評審會，對它的療效做出了高度評價。

Exa-Cel是基于CRISPR技術(shù)的，這種技術(shù)平臺我們在之前曾科普過，它剛剛在2020年拿下了諾貝爾化學獎，得獎的是兩位集智慧與美貌于一身的女科學家，美國的Jennifer A. Doudna，和法國的Emmanuelle Charpentier，一時間傳為佳話。

除了這兩位女杰，在CRISPR領(lǐng)域中同樣出名的還有一位美籍華裔青年科學家，張鋒。很多圈內(nèi)人說，CRISPR的原創(chuàng)性工作雖然要歸功于兩位諾獎得主，但是對這個領(lǐng)域技術(shù)的革新貢獻最大的，特別是在真核細胞中的操作手法，也就是真正能讓它應(yīng)用于臨床制藥的技術(shù)，則非張鋒團隊莫屬了。

幾年前，由于CRISPR技術(shù)的專利之爭，兩女俠和以張鋒為領(lǐng)軍人物的哈佛和麻省理工對簿公堂，雖然美國專利局的上訴庭在2022年暫時認可了張鋒公司對該技術(shù)在醫(yī)藥開發(fā)方面的專屬權(quán)，但是兩女俠卻掌握有張鋒公司難以逾越的優(yōu)勢：她們已經(jīng)做出相當靠譜的藥了。

Emmanuelle Charpentier在10年前技術(shù)入股，和投資人共同創(chuàng)建的CRISPR Therapeutics，正是Exa-Cel的研發(fā)者。他們和具有豐富臨床研發(fā)經(jīng)驗的大藥廠Vertex合作，大大加速了臨床試驗的進度，目前受試并完成12個月隨訪期的30位病人中，29人在12個月內(nèi)完全沒有發(fā)生危重血管閉塞危機，這是威脅鐮刀血病人生命的主要并發(fā)癥之一。

讀過CRISPR科普的讀者可能會記得，這個技術(shù)能給人類的基因組做外科手術(shù)，精準地切除不想要的區(qū)域。既然鐮刀血病人的病根是突變的病態(tài)蛋白的聚集，那么外行人也許想當然地認為CRISPR就是像剪刀一樣把這個壞蛋白給切碎就把病給治了。

幸虧科學家沒有這么想，因為真這樣就把人給治死了。

突變變形的血紅蛋白固然呈現(xiàn)病態(tài)，但依然是給病人輸送氧氣的重要途徑，如果真是用CRISPR大剪刀猛剪一氣，會把壞的好的血紅蛋白不分青紅皂白地除掉，那病人就會缺氧而亡了。

治這個病的關(guān)鍵，不在于如何消滅“壞人”，鏟除病態(tài)蛋白，而在于如何增加好人。這個“好人”，就是我們前面提到的不含突變的胎血紅蛋白。

也正是這個原因，讓很多人一度低估了CRISPR在新藥研發(fā)上的潛力，我們都以為這個技術(shù)過于大刀闊斧，只能破而不能立。如此的“猛藥”，恐怕沒法在病人體中應(yīng)用。

但是這個藥卻真真切切給我們上了一課，真正體現(xiàn)了生命體內(nèi)玄妙的動態(tài)平衡。

多年來的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，人類出生長大后胎型血紅蛋白消失的原因，在于一種叫做BCL11A的抑制因子的積累，而這個因子的生產(chǎn)依賴它的基因上的一段所謂“加強信號”。Exa-Cel的設(shè)計思路就是，剪掉這段強化信號，從而抑制了BCL11A的積累，除去了這個枷鎖之后，正常的血紅蛋白丙型鏈，也就是休眠已久的人類胎型血紅蛋白，終于又重出江湖，治病消災(zāi)了。

這樣一個隔山打牛般的機制，它的效率會高嗎？但是人體的信號調(diào)控體系就是如此的一個精細的網(wǎng)絡(luò)，牽一發(fā)而動全身，研究發(fā)現(xiàn)，全部30位受試者的胎血紅蛋白都被激活了，達到了全血紅蛋白總量的20%，也就是說，達到了實現(xiàn)保護機制的閾值。

盡管如此，F(xiàn)DA聘請的專家委員會依然對CRISPR直接在人類染色體上動刀略感不適，他們集中詢問了CRISPR可能的脫靶問題，也就是說，會不會把病人某些重要的遺傳序列給不知不覺切掉了？所以他們要求對所有的受試者進行長達15年的隨訪。

其實，Exa-Cel已經(jīng)是采用了盡可能安全的剪切方式了，因為它提取的是病人的紅細胞造血干細胞，在體外進行分子剪切后再輸回體內(nèi)，增殖產(chǎn)生出更多的后代細胞，生產(chǎn)大量正常的丙型血紅蛋白。這樣就把分子剪刀對機體形成意外傷害的危險降到最低，這種方法的術(shù)語叫做Ex-vivo 。它的缺點是過程復(fù)雜，成本太高。目前預(yù)計Exa-Cel單一療程價格不會低于兩百萬美元。

那么把分子剪刀直接注射入病人骨髓如何呢？雖然效果直接，但是危險太大，因為骨髓內(nèi)環(huán)境過于復(fù)雜，萬一剪錯了哪一個都可能造成無法挽回的后果。這個叫做Somatic, 體細胞操作。

上述的兩種辦法，Ex-vivo太貴， 另一個Somatic又太毒，那么有沒有一勞永逸地把鐮刀血病在人類中斬草除根的方法呢？

也有，術(shù)語叫做germline，就是直接在病人的生殖細胞中用CRISPR把突變的基因修復(fù)，這樣他們試管嬰兒的后代不再會攜帶那個要命的從谷氨酸到纈氨酸的突變。這種方法雖然不能幫助到病人本身，但是卻能終止這個可惡突變的繼續(xù)傳播。

但這是倫理上爭議更大的做法，很可能違法，要想了解更多細節(jié)請自行搜索已經(jīng)刑滿出獄的賀建奎。

發(fā)現(xiàn)鐮刀血病分子機理的Vernon Ingram在去世的兩年前，也就是2004年，發(fā)表了一篇回顧性文章，檢討了自己當年在DNA雙螺旋隔壁的那一段研究的得失，結(jié)論就是一個字，機緣巧合, Serendipity。他還回顧了科學家們本來就是想在一只貧血的狒狒體內(nèi)測試某些化合物對血紅蛋白的調(diào)控能力，卻無意中發(fā)現(xiàn)了使用藥物誘導胎型血紅蛋白來治療鐮刀血病的通幽曲徑，也是一個“機緣巧合”。

縱觀科技史，不管是技術(shù)的革新，還是領(lǐng)時代風騷的科學家，都是長江后浪推前浪，一代新人勝舊人。我斗膽想一想，如果Ingram老先生今天依然健在，如果有機會看到CRISPR短短幾年內(nèi)從橫空出世到在業(yè)界吊打，如果有機會看到這種技術(shù)如何幾經(jīng)騰挪而在自己朝思夢想的血紅蛋白上大放異彩，很可能成為該技術(shù)在新藥領(lǐng)域的第一枚斬獲時，他又會發(fā)出如何的感嘆呢？

參考資料

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1470873/pdf/15166132.pdf

https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2031054

https://www.youtube.com/watch?v=M90IjjxOdQg

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