生命科學

基因剪輯 踩過紅線

基因剪輯工具在手,我們將能控制人類的遺傳命運?

撰文/霍爾(Stephen S. Hall)
翻譯/鄧子衿

生命科學

基因剪輯 踩過紅線

基因剪輯工具在手,我們將能控制人類的遺傳命運?

撰文/霍爾(Stephen S. Hall)
翻譯/鄧子衿


歐維格(Kyle Orwig)一直想做一項實驗,照他的話來說,這項實驗會「讓人們跳腳」。歐維格是美國匹茲堡大學的教授,研究的是複雜深奧的精細胞生物學,特別專精於雄性睪丸中的特化幹細胞製造出精子的過程。有時一個遺傳上的瑕疵,就可以讓幹細胞無法完成這個過程,造成雄性不孕。歐維格腦中所構思的實驗是,利用基因剪輯技術去修補那些幹細胞中的基因缺陷,再把細胞移植回不孕小鼠體內,看看這個方式是否有潛力治療雄性不孕症。


這項實驗聽起來很簡單,對歐維格來說,嘗試起來可能也並不複雜。事實上,20年來他一直進行研究、把製造精子的幹細胞移植到小鼠體內。這項實驗的結果可能格外重要;如果歐維格用心籌畫的實驗一舉成功,社會大眾將不得不去面對當代生物學中那道鮮紅的禁忌之線:改變人類的遺傳組成,並且把這個改變傳給未來的世代。


如果這個改變經證明是安全、有效,而且在倫理上是可以接受的,那麼改變生殖細胞將會賦予科學家前所未有的力量,例如藉由修改人類DNA讓我們不容易生病。這股力量也讓我們得以操縱人類的遺傳過程,「改良」人類這個物種。然而這個「遠景」不禁令人暗自回想起20世紀初期的優生學運動,這項運動在納粹德國時期達到高峰。


歐維格兩肩寬闊,留著俐落平頭,出身俄勒岡州的他看起來親切又堅定,並沒有想要挑戰倫理禁忌的意圖;不過他帶有些許煽動者的特質。他展示了只要在小鼠的基因上稍微動點手腳,就能夠治癒不孕症。他希望讓更多人知道,剪輯人類的基因並非如有些人所說,是抽象、未來才會面臨的技術挑戰,而是近期就有可能執行的醫療行為。所以歐維格最近向同事說:「我們來做這項實驗,讓那些人跳腳。要讓他們知道這是有可能做到的,並不是什麼天方夜譚,這樣人們才會開始認真討論。」


生殖細胞系基因修正在近兩年成為格外重大的議題,因為出現了一種強大的基因剪輯工具:CRISPR,其中用到Cas9這個酵素。CRISPR讓科學家得以改變任何生物的DNA,當然也包括人類,其精確和簡易的程度實屬前所未有。2015年4月,中國科學家發表一項研究報告,指出他們首度嘗試剪輯了人類胚胎的基因。爾後,《自然》(Nature)在頭條新聞的標題寫著:「剪輯胚胎基因引發火熱爭議」;《科學》(Science)的標題則是:「優生學在CRISPR的影子底下匍匐前進」。這些標題都傳遞出廣大社會的不安情緒。有些危言聳聽的媒體甚至使用了簡略說法:「設計胎兒」和「遺傳改良」,更觸發人們對於基因剪輯的恐懼。


但是那些不起眼的精細胞並沒有激起太多爭議。有鑑於剪輯胚胎中的基因依然困難重重,許多科學家相信,改變胚胎的源頭之一,也就是生殖細胞中的基因,不但比較容易,同時也更安全。生殖細胞就是性細胞,結合之後會產生合子,一旦改變這些細胞中的基因,就等同改變了人類的基因組,因為這些改變將永遠烙印在這些性細胞未來產生的胚胎中。歐維格和其他一些生物學家很擅長以遺傳工程的方式改造精原幹細胞(spermatogonial stem cell),並且加以移植;精原幹細胞位於睪丸,能夠產生精子。


回顧過往,生殖醫學這個領域總是急著把新技術推向臨床。不孕症治療市場充滿商機,如果歐維格成功展示不孕症只需簡單修改動物的基因就可以治療,那麼成千上萬無法製造精子的男性將會對這樣的療法躍躍欲試,因為現階段他們的選擇仍很有限;而對體外人工授精(亦稱試管嬰兒)產業來說也同樣具有強大吸引力,去年這項產業光是在美國的營業額就高達20億美元,全世界的總營業額甚至可能是這個數字的10倍。


在獲准進行治療之前,必須先證明這種療法能夠成功,而且不會造成過度的傷害。就算只是試著盤算用剪輯過的基因來打造一個全新人類,科學家也需要這樣的證明。類似的實驗已經在動物身上進行,可預見那條紅線很快就會被跨過。發生的地點或許會在中國,那邊的科學家已經踏出試驗性的第一步,剪輯了(無法存活的)人類胚胎。英國也可能發生類似的情形,該國政府已經立法通過「粒線體取代療法」這種改造生殖細胞系基因的方式,並於今年2月核准進行人類胚胎的基因剪輯研究。此外,只要依照諸如歐維格實驗團隊所發展出的程序,任何進行體外人工授精的診所都可以施行這種療法。


歐維格說:「我們並不是在空談理論。現在用老鼠來做實驗,在人身上做也是遲早的事。目前已經萬事俱備了。」


保持冷靜,謹慎前行


這些圍繞在生殖細胞系基因改造上的爭議聽起來並不陌生,但基本上已經步入了全新的科學境地。1970年代初期,科學家彷彿得到普羅米修斯的神力,能夠重新改寫遺傳的語言。當時生物學家發現利用從細菌分離出的酵素,可以剪切並黏接DNA片段,進而發展出重組DNA(recombinant DNA)技術。這項進展引發人們不安,害怕遺傳工程所改造的微生物會逃出實驗室。


這份不安促成了科學界在1974年自發性暫停關於重組DNA的研究,這種暫停舉措前所未見。1975年,科學家在美國加州阿西羅瑪(Asilomar)舉行一場歷史意義非凡的會議,諸如巴蒂摩(David Baltimore,當時任職於麻省理工學院)等著名分子生物學家,齊聚一堂爭論新科技的安全性,後續更催生一套約束這類研究的聯邦指導方針。阿西羅瑪會議被視為一道文化運動的分水嶺,這個看法是正確的。羅傑斯(Michael Rogers)在《滾石》雜誌發表了〈潘朵拉盒子會議〉(The Pandora’s Box Congress),鉅細靡遺報導了這次的會議。從那時起,指導方針就位了,而生物科技成為20世紀變化最大的科技領域之一。


科學社群在1974年按下暫停鍵而不願意躁進的決定,雖然贏得社會大眾的喝采,但是許多科學家覺得這是對假設性安全議題的過度反應,DNA雙螺旋結構的發現者之一華生(James D. Watson)就稱之為「沒道理的歇斯底里」。


在阿西羅瑪會議之後,富有爭議的生命科學研究便常成為公眾討論的議題,隨之而來的大型會議也因此充斥各種雜音。1977年,當美國國家科學院(NAS)為了重組DNA而爭論不休之際,反對遺傳工程技術的抗議者拉起布條,上面寫著希特勒說過的話:「我們將創造出完美的種族。」2001年,一場關於人類複製的會議後來變成了喧囂的媒體活動。持不同意見的體外人工授精醫生,誓言要複製人類嬰兒。電視媒體的工作人員緊密尾隨那些可能將進行人類複製大業的醫生(甚至連人家去上廁所都不放過);《連線》雜誌更在2001年的某期封面上大剌剌寫道:「在接下來12個月內,有人將要複製人類。」


而這回科學家明顯不安,他們也戒慎恐懼,以防另一次自發性的暫停研究會延宕科學進展。結果呢?另一場會議誕生了。去年12月美國國家科學院和國家醫學院在華盛頓特區共同舉辦了國際高峰會(英國皇家學會和中國科學院也共襄盛舉)。巴蒂摩承認當初要改變人類的遺傳密碼的確令人「難以置信」,因為第一代遺傳工程技術既笨拙又無效率。他說:「不過許多年後,『難以置信』已經變成了『值得相信』,現在我們覺得人類的遺傳密碼將可以被改變。」然而,他接著又提出一個最重要的問題:「就算有可能發生,我們的社會需要這種能力嗎?」


對所有坐著連開三天會議的人來說,得到的答案可能和我一樣:「我們不確定,不過我們有很多時間可以仔細想想。」在那場會議中,包括美國博德研究院基因組科學家蘭德(Eric Lander)的演講在內的許多演講,都強調技術上還存有障礙,而且近期內在醫療應用上也沒有對生殖細胞系基因改造的急迫需要。蘭德警告:「在我們將永遠改變人類基因庫之前,可能要非常、非常小心謹慎。」


會議主辦單位很靈巧地避開了類似阿西羅瑪會議那樣造成研究暫停的情況。巴蒂摩讀著大會字斟句酌的聲明,文中說道,此時此刻,追逐人類生殖細胞系基因剪輯的臨床應用可能會是「不負責任」的。當高峰會接近尾聲時,巴蒂摩接續解釋,會議主辦方刻意避免呼籲科學界暫停甚或禁止實驗。他說:「我們並不想要使用這些字眼,到目前為止也都沒有用過。」因此,基礎研究既能夠也應該要暢行無阻,不過大眾不需要擔憂近期內的發展:人類的生殖細胞系基因剪輯還不可能成真,既非必需也不明智,當然也不會是近在眼前的事情。


而實際上在科學社群中有著歧異的看法。雖然華盛頓高峰會的主辦方把這個議題塑造成「就算會發生,也不確定是何時」的樣子,但是如果你私下詢問與會的生物學家關於人類生殖細胞系基因剪輯的未來發展,經常會冒出一個回答:「無可避免。」


跨越紅線是遲早的事


有些科學家認為舉辦這場高峰會是為了「努力維持現狀」,哈佛醫學院的生物學家邱契(George Church)就是這麼認為,他說:「他們基本上是要安撫大眾,這是他們的目的。不管我們在哪時說了些什麼,都是為了這個目的。我不想引起騷動,也不想安撫群眾,我希望他們對於正在發生的事情有正確的看法。」邱契還指出,大眾現在就得開始思索人類生殖細胞系基因剪輯,因為科學界已經踩在紅線上了。


國際上有許多規範人類胚胎研究的條款,有如擋道的樹叢,不過邱契等人認為,最近幾年在試管中修改性細胞的基因,專業術語叫做「體外配子形成」(in vitro gametogenesis, IVG),以及剪輯胚胎中的基因方面,都有了重大進展,但是卻沒有像過去那樣,刺激大眾去進一步仔細檢視,或是在倫理上引起同樣的不安。


美國生物倫理學家柯恩(I. Glenn Cohen)說:「就技術上來說,這已經是可行的了。比起其他技術,體外配子形成技術發展得較為成熟。」加拿大卡加立大學的生殖生物學專家杜布林斯基(Ina Dobrinski)研究豬隻這類大型動物的基因剪輯,她對此補充道:「理論上我們辦得到,實際上卻沒人幹這件事,完全是考慮到倫理因素。」


如果人類生殖細胞系基因剪輯無可避免,那麼在有道德爭議(實際上許多國家還立法禁止)的情況下,它將如何發生呢?生物學家之間的預測,變成像是紙牌遊戲。當我找上邱契這位牌戲中的未來主義者,詢問他未來可能的發展過程,他很樂意回答。


邱契認為生殖細胞系基因剪輯的紅線遲早會被跨越,因為修改精子不會如同修改胚胎或卵細胞那般引起道德爭議。(生物倫理學家柯恩也同意這點,他說:「人們不認為自慰是一種大屠殺。」)他也認為基因療法(而非CRISPR本身)將會為這重大的改變準備好舞台,因為大家已經接受了基因療法。美國食品及藥物管理局(FDA)已經核准許多在體細胞(非生殖細胞)中進行的基因療法試驗。他說:「現在基因療法已經在幼兒身上施行,之後接受這類治療的兒童年紀會越來越小。」


舉例來說,去年秋天有一起引發大眾關注的事件:英國研究人員運用基因剪輯技術修正一名嬰兒的免疫細胞,以治療白血病。根據邱契的說法,生殖細胞系基因治療將不會用在人類胚胎,而是用在人體內如同無產階級那般大量製造又可以不斷消耗的細胞:精子。進行體外人工授精的過程中,會先做胚胎著床前基因篩檢,如果檢驗出胚胎帶有某些預期會造成嚴重疾病的單基因突變,就可以捨棄這個胚胎,但這個決定往往讓人深感煎熬,相比之下,邱契認為剪輯精子中的基因能免除內心的掙扎。他評論道:「或許有一半的美國人覺得殺死胚胎讓人感到不舒服,但是我認為人們可以接受改變精子的基因,因為至少不會有胚胎死亡。」


邱契補充說明,這個療法可能針對兩個主要的目標,一個是單基因疾病(例如泰賽二氏病),另一個是不孕症。他說:「你也可以改變人類的精原幹細胞。」他指的是在睪丸中專門製造精細胞的成體幹細胞;男性每天都製造幾千萬個只會無腦向前衝的精子。邱契繼續說道:「人們真的不在意精原細胞,甚至無法正確說出這個詞,所以根本不會管你如何胡搞它們,對吧?如果你有不會游泳的精子,你可以想盡辦法讓它們表現正常。你可以把精原幹細胞拿出來改造,然後製造出能夠正常游動的精子。你可以在實驗室中做這件事,不會牽涉到卵子。或是在醫院做這件事,這時有個老爹可能會說:『這些精子很不賴,我們來試試看它們會有多棒。』我不知道除了他們自己,誰會阻止他們做這件事。」


至於時間進程,邱契說:「我相信很快就會出現好幾種運用基因療法的不孕症解決方案。」


有多快呢?他說:「幾年後吧,這應該很難抗拒。」


在那場華盛頓高峰會上,歐維格發表了演講,他的一張投影片上這樣寫道:「生殖細胞系基因療法目前在技術上已經可行。」根據歐維格的說法,會後在後台,有位會議組織委員會的成員悄悄走到他跟前說:「我確信生殖細胞系基因療法會成真。」這樣的觀點沒有納入會議最後公佈的公報中,但是歐維格大受激勵。


他說:「以前在做那些研究時,我的確不太想讓社會注意到,但現在彷彿有個聲音鼓勵著我:『老兄,去做吧!』我決定要放膽去做並且向大家證明我有能力做到。」當然,是在動物身上。


醫療市場推波助瀾


步出歐維格辦公室,在走廊上稍走幾步,就會到達一個由好幾個隔間組成的飼養房,裡面養著數百隻小鼠。你得先換上乾淨的長袍、靴子並戴上口罩,才能進去。不是怕你從小鼠那裡染上什麼,而是怕小鼠從你這裡染上東西。許多籠子裡養著裸鼠,這些有著粉紅色縐褶皮膚的小型齧齒動物看起來就像是長了眼睛和腳的陰囊。牠們身體赤裸無毛,就某個意義上是因為培育牠們的目的,就是要讓免疫系統能夠接受來自其他物種的植入細胞,例如人類的突變精原幹細胞,讓研究人員更了解雄性不孕症的致病機制。


如果就像邱契所說,「每件事情都得先完成動物實驗」,那麼通往人類生殖細胞系基因改造的道路便會先穿過這樣的房間。CRISPR讓研究工作更有效率(歐維格說:「容易到爆!」),不過科學家其實早在20年前就能夠改造那些製造精子的細胞中的基因了;歐維格的老師、賓州大學的生物學家布林斯特(Ralph Brinster)自1994年起即開始在小鼠身上進行前瞻性實驗。


造成雄性不孕症的原因眾多,包括「水管阻塞」問題、發生在精子複雜製造過程中的小毛病以及製造出無法發揮正常功能的精子。然而有許多狀況是──雄性根本無法製造精子,這稱為非阻塞性無精症。根據歐維格的說法,美國有35萬名男性有這種症狀。目前已知有數個基因和精子製造失敗有關,包括了tex11和sohlh1,歐維格熱切想要針對這些基因進行實驗。


歐維格想要做的事,就是藉由遺傳工程改造患有不孕症的雄性小鼠;這些小鼠體內與製造精子相關的基因中,有一個因為突變而失去功能。他會把這些小鼠的精原幹細胞從睪丸中取出,利用新的基因剪輯工具去修正這些細胞中的錯誤。當這些改造過的幹細胞在試管中生長到一定的數量之後,便可從中篩選出改造成功的細胞,移植回小鼠的睪丸。至少在動物實驗中,如果基因剪輯成功了,便不需要其他繁複的分子檢測,因為小鼠會在幾個月內成為父親,清楚展現牠們繁衍下一代的能力。


歐維格說:「25年來,我們不斷移植幹細胞,對象幾乎囊括了各種動物:小鼠、大鼠、倉鼠、綿羊、山羊、豬、狗和猴子,可以說橫跨相當廣的演化樹支系。就我所知,各種實驗動物在這些年來都沒有發生什麼壞事。」所以歐維格樂觀認為,剪輯小鼠的幹細胞基因能夠讓牠們重獲生殖能力。


這看起來似乎是個無害的動物實驗,但是剪輯精原幹細胞的基因,會永久改變生殖細胞系,因為該精細胞會把改造過的基因傳到下一代;這種治療雄性不孕症的基因療法將會跨越紅線。雖然下一步很明顯就是要在人類身上進行類似的實驗,但是歐維格並沒有計畫在他匹茲堡大學的實驗室做這件事,不過要是在小鼠和靈長類身上實驗成功,就會促使私人機構進一步嘗試人體試驗。邱契相信最後幾步就是這樣踩過去的,他說:「就像其他療法的發展過程,基因剪輯療法最後也得仰賴私人經費資助來完成。」


技術和政策限制重重


發展這樣的基因療法當然會面臨一些技術限制,其中一項是科學家得找到方法讓精原幹細胞在體外存活夠久,才能確保有足夠時間篩選正確的細胞來移植,這可不是什麼輕鬆的工作。但是在實驗上,精原幹細胞和胚胎比起來還是比較容易瞄準的目標,因為胚胎變動得很快。舉例來說,那些嘗試用CRISPR來剪輯胚胎基因的中國研究人員,發表的報告中提及了「難以應付的突變」以及「染色體鑲嵌現象」(mosaicism),也就是說有些胚胎細胞中的基因剪輯成功、有些則沒有。此外,在製造胚胎之前,基因剪輯過的幹細胞還可以先經過篩檢、再進行後續流程。


這些技術限制也讓歐維格潛力十足的小鼠實驗在政治通關上窒礙難行。美國國會在1990年代立法禁止美國國家衛生研究院(NIH)資助任何可能涉及破壞人類胚胎的實驗,而歐維格小鼠實驗的人類版本可以規避這些禁令。然而在去年12月那場華盛頓高峰會的兩個星期之後,美國眾議院又丟下了一塊可能擋路的大石頭。美國國會在厚達2009頁的「2015年綜合開支法案」中加上了兩句話,大意是禁止FDA核准任何需要使用基因剪輯胚胎的醫療手段。雖然文中並沒有明確禁止生殖細胞系基因剪輯,不過史丹佛大學的法律教授格里利(Henry Greely)認為:「FDA會傾向相信那些精子不僅僅是經過些微改造的人類細胞,因此需要通過所核發藥物或生物製劑的許可。」他認為這樣的規範會讓邱契預定的時間表延後10~20年。


這並不表示歐維格的老鼠實驗違法,那只是在一路滑向生殖細胞系基因改造的斜坡上輕輕推了一把而已。踩過紅線的這一步將由私人的體外人工授精診所邁出,這些診所長期以來不斷嘗試拓展生殖技術的疆域(雖然這段歷史並不光彩)。美國波士頓兒童醫院的幹細胞生物學家戴利(George Daley)說:「這項技術非常簡單,只要有個人稍微提起膽量,直接在一間診所找人來試一下就可以了。」他強調:「這種事情很快就會搬上檯面,人們應該要好好思考,因為這是極具顛覆性的生殖科技。」


除非大眾和政治界更能接受生殖細胞系基因改造,否則這種事情可能不會在美國發生。不過歐維格已經準備好那一天的來臨了,他說:「我們將會在幕後奮力工作,直到社會大眾改觀的那一天。」


法規也擋不住的科學進展


目前國際社會對於生殖細胞系基因改造的觀感既複雜又矛盾。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)最近分析了17份民意調查,結果顯示大多數美國人並不喜歡改造胚胎或是生殖細胞系基因的想法。但矛盾的是,大多數人傾向支持剪輯成人的基因,如果那是「為了預防自己的小孩得到某些遺傳疾病」。主持這項研究的布蘭登(Robert J. Blendon)說,包括生殖細胞系基因療法在內的各種施行於成人的醫療手段,只要是對下一代有利,都會得到「廣大群眾的支持」。除此之外,《新英格蘭醫學期刊》的研究也指出,許多列在民意調查上的問題,使用了「可能在科學上並不精確」的句子。換句話說,雖然美國國家科學院在去年12月的華盛頓高峰會中承諾將與大眾持續對話,討論生殖細胞系基因剪輯的議題,但是我們並不清楚大眾是否了解這個對話中包含的術語。當公眾論壇仍為找尋能有效傳達意見的詞彙所苦時,科學界已經遠遠跑在前頭了。


去年春天我到歐維格辦公室採訪他,那時他把頭撇向擱在桌上的一份論文抽印本,說道:「我真的很愛這篇論文。」他指的是在去年2月刊登於《細胞.幹細胞》(Cell Stem Cell)的論文,該研究的主持人是中國科學院的周琪,他們的實驗基本上提供了在活體外製造生殖細胞的方法。


該研究團隊指出,他們已成功在培養皿中製造出能夠產生精子的幹細胞。有了這項新技術,再搭配目前體外人工授精在臨床上使用的一種技術,就能夠把這些幹細胞注射到卵細胞中,製造出有生育能力的雄性小鼠。戴利說,這項進展「再加上CRISPR,將可以打造出一個『美麗新世界』。」


赫胥黎(Aldous Huxley)於1932年所想像的美麗新世界,故事情節在極權主義國家展開,其中沒有國界、也沒有地方規章。而在當前這個社會,只要有一個地方進行生殖細胞系基因剪輯,就表示每個地方都可以進行。哈佛大學的法律教授柯恩說:「規章是國家訂定的,但是科學能夠跨越國界。」即使美國立法禁止生殖細胞系基因改造,你得打造一道比川普(Donald Trump)所提議還要高的圍牆,才能保護美國人的生殖細胞不被來勢洶洶的改造DNA入侵。


柯恩說:「就算你打算從現在到100年後都不做這件事,只要世界上有人在其他地方做了,那麼遊戲就等同宣告結束。隨著時間過去,人們會結婚生子,會穿越國境,會進入我們的國家。就算安全措施與各種努力都能發揮成效,人們仍無可避免會到世界各地遊歷。他們會生兒育女,然後回國,造成的一切改變最後都將進入美國的基因庫。」


當我要結束歐維格的採訪時,他看了桌上的電腦一眼,有位記者寄來電子郵件,詢問他對於另一個挑戰道德紅線的實驗有什麼看法。有個中國研究團隊最近提出報告,試圖要剪輯(無法存活的)人類胚胎的基因,以抵抗愛滋病毒的感染。歐維格說:「到最後,我們將了解什麼叫做跨越紅線,雖然我覺得我們已經踩過去了。」