魏文胜：高通量基因筛选，找到病菌侵染相关的宿主蛋白及通路
魏文胜：
北京大学生命科学学院研究员
由“打哪指哪”真的可以实现“指哪打哪”？这种精准的治疗技术，恰恰是基因组编辑技术大有作为的地方。基因编辑技术使得对单一基因进行修饰的遗传手段得到迅速发展。魏教授开发的高通量基因筛选技术，不仅能够帮助人们研究与病菌侵染相关的宿主蛋白及通路，还可以惠及众多生物医学相关领域。
让我先从新千年的超级细菌讲起，在讲这个话题之前，其实我上网搜了一下，因为我希望我的演讲第一次面对这样的听众，能够更接地气一点，所以我做了个搜索，那么结果我搜出了非常多具有耸人听闻标题。
这样一些新闻其中包括，比如说妈妈的便便治好了儿子两年的顽疾。这里面信息量非常大，有非常多的内容。
那么大家想一想，这里边有两个关键词；其实一个是没有出现的叫伪膜性肠炎，这是今天我演讲的一个主题之一。第二个信息关键词叫粪便移植，大家可以脑补这样一个画面。那么病人得了一个非常难治的肠炎，结果医生挠挠头想了一下说：“要不这样吧，我请你吃一点便便”。
让我试着替这个医生稍微解释一下，看大家能不能明白。那么假膜性肠炎，其实在医院系统里边是一个非常常见，非常严重的疾病，那么特别是住院病人他会服用大量的抗生素，那么抗生素的服用它造成一个直接的结果是肠道菌群的紊乱，因为肠道里边有各种细菌，有益生菌也有坏的细菌，但肠道菌群的紊乱它会造成一个很严重的问题，就是像艰难梭菌这样一些非常有抗性的细菌，它得到了大量的生存空间，那么它得以繁衍繁殖起来。也就是说它能够用毒素来破坏肠壁细胞，那么直接的临床后果是什么呢？
就是病人会发生严重的腹泻，甚至严重的话病人会死亡。那么这个事情的开始是因为它获得了这个生存空间，那么如果说我们通常的思维，用抗生素来治疗这个疾病的话，其实收效非常地小，原因是因为它本身是一个非常有抗性的这样一个病菌。
那么更可怕的是最近十几年，大家陆续发现一些所谓超级细菌，所谓超级细菌就是现在已经存在的所有的抗生素，对它都无能为力。那么怎么办呢？
所以大家想到了一个不是办法的办法，就是吃便便。其实我演绎一下，不是吃粪便移植，不是吃能够解决的。但是用粪便移植的方法，来重新建立你失去的紊乱的肠道菌群。这样它可以大大压缩抑制艰难梭菌本身的生存空间，那么就变得和谐了，那么它的危害就没那么严重了。所以从一定程度上面能够改善这个状况。
那么艰难梭菌造成的伪膜性肠炎到底有多严重呢？我这里给大家提供一个美国疾控中心提供的一个数据，那么在所有抗生素抗性病菌感染里边，它造成的危害排名第一的。是谁呢？就是艰难梭菌，原因非常地简单，因为它造成的它的致命性，致病性，以及它造成的经济损失每年有十亿美金，都排在第一位。
那么对这样一个疾病，我们有所谓的粪便移植，这样听起来很有点恶心，但是又很炫酷的这样一个治疗方法，其实它是六脉神剑时灵时不灵，它本来不是一个令人愉快的治疗方式，有没有更好的方法来解决这个问题？那么要解决这问题，其实我们就需要从机制上边了解它是如何致病的？
我们最近团队的一个工作，就是发现了艰难梭菌用毒素侵染细胞的一个表面受体，这是大家大概已经超过三十多年，一直想寻找的一个细胞表面的受体。那我们当我们发现这个受体以后，我把它给敲掉，把它给抑制住以后，发现细胞就不再被感染，原因非常地简单，因为艰难梭菌造成任何的危害，它还必须要把自己的毒素蛋白送进细胞里面去，如果没有受体的帮助，它进不去的话细胞就平安无事了。
所以当我们发现这样一个机理以后，显然就打开了一个新的一个窗口。就是新的一些治疗方法，新的治疗手段就可以依据这一个发现来发展出来。那我们找到这个受体，取得这样的结果，其实仰仗了两个非常重要的技术，一个是基因组编辑技术，一个是高通量的筛选技术。
那么基因组大家都知道是，一个人的遗传物质的一个总和一个集合。
简单地回顾一下我们的遗传物质，我们遗传信息开始大家知道，我们都是被编码的对吧。我们不是从天上掉下来的，我们是有遗传的传递传承。那么决定我们生命整个个体，或者现象的一个重要的遗传的单位是什么呢？
是DNA，那我们一个整体，一个人体的所有加起来的细胞总量，大概是10的14次方。那么在每一个细胞里面呢？我们有包含我们所有遗传信息的这个载体叫染色体，也叫基因组。它是在染色体上呈现出来的，那么这里边有大概有30亿个DNA的亚单元，或者我们叫密码，来编码我们所有的信息，那么它总共会产生大概三万个不到的基因编码。
它相应的蛋白来执行它的各种功能，所以我们整个的生命现象，整个的功能是由遗传决定的，是由生命信息来决定的，那么它真正来编码，整个编码我们整个所有信息的单位，是多少个呢？只有4种，就是通常大家认为的，大家知道的ATCG这四种，非常少，但这么少的编码，它可以幻化出千姿百态无穷无尽的生命现象。所以它整个造成的，产生的表现形或者我们功能又特别地复杂。
那么生命科学的研究是五花八门，多种多样。它的门类也非常非常地多，但是如果我们把很多的种类，很多的研究内容，把它简单化一点。很多实验室其实花大部分时间在干这样一件事情，就是来寻找这个基因，它编码什么蛋白，这蛋白到底是干吗的,或者是干吗的,是谁干的?他其实一直在找这种因果关系,那么这样才能够让我们了解，比如说你得了癌症或者某种疾病，到底是什么出了问题？
在遗传方面，在分子水平上边，它的原因是什么？这样才能从根本上找到解决问题的方法和办法。那如何做到这件事情呢？最简单的方式是什么呢？是我们能够非常轻易地，你能够精确地来调整改变你的遗传信息，你的遗传密码，然后看是什么性状被改变了，然后这样才能把因果关系给建立起来。
那这就是回到我们一直在谈的，我们一直梦寐以求的，需要这样一个技术就叫做基因组编辑。
所谓编辑，就是我能够人为的来调整，改变，插入，去除，修改，所有这些动作，都是属于编辑层面的动作，但是我们需要在基因水平上完成，这样一件事情。其实从某种意义上讲，我们在扮演上帝的角色，那么它的最初开始是从一个叫锌指酶，这样一个工程性的蛋白酶开始的，那么这个酶的出现，它一下子让大家知道，我可以干类似事情。
那么这个基因组编辑技术，它真正的蓬勃发展起来大概在2009年底。这个其实是一个非常奇怪的机制，我们管它们叫TALE，后来又发展出一个专有名词叫TALEN。那么这个机制我们是如何知道如何发展起来的呢？它其实是从细菌一个叫黄单胞菌的这样一个植物病菌里面发现的。其实这样一个蛋白在1989年，就是上个世纪很早以前，我们就已经知道了。所以有一个奇怪蛋白，它能够被病原菌病原微生物直接送到跨界。送到它的宿主，我们所谓的就是植物的细胞里面去，那么它长得非常奇怪，为什么？
因为它中间有非常多的重复单元，但不知道是干什么的。一直到2009年的时候，科学家才把它给搞明白，原来自然界存在大概二十五种左右的，这种重复单元，不同的重复单元，它居然每一个单元对应一个碱基，所以就是我们所说的密码子，这个DNA的密码子。
ATCG它有特异性的识别这样一个特性，然后大家非常地兴奋，大家从里面找了四个非常不错的四种单元，迅速地把它做成了一个分子剪刀，也就是说可以用那个单元，把我们想要操作的这个，可以干活的这个酶，把它特定的特异地送到我们想要它去的地方。这样就可以完成剪切，能够实现所谓编辑的这样一个功能。
那么这个系统有没有缺陷呢？它有很多的缺陷，但是它已经好到大家已经非常雀跃了，因为它让大家意识到，我们终于可以干我们一直想干的事情，以前完全不可想像的事情，就是我指哪我有可能打哪，但它仍然还是不够完美，它利用的是自然界已经存在的25种重复单元。
其实理论上面它有多少种呢？它有四百种，所以我们实验室一个工作呢就是把这400种全部找齐了，以及跟ATCG这个四种在核酸水平上的编码一一对应起来，就呈现了这样一个我们叫热图。就是它含有所有的1600种情况，就是400种对应4种不同的密码。它的特异性，它的结合效率，所有这些把它给解码出来。所以这就成为一个非常实用，非常有趣，有巨大应用前景的这样一个技术。
那么基因组编辑技术进一步提升搞得如此的沸沸扬扬，以至于在所有的生命科学领域里面，研究的实验室几乎每一个实验室，不做一些跟这个相关的，都觉得完全落伍了，是因为另外一个新的技术的出现，这个技术出现它的名字叫CRISPR。这个名字不重要，重要是什么呢？这居然又是一个我们从细菌学来的一个小的花招，那么是在细菌免疫系统里边，它存在的一个机制，没错细菌也有免疫，没有谁愿意被侵犯，其实细菌也不例外。所以细菌它会被谁伤害呢？它会被它的病毒叫噬菌体，所以细菌经过千万年的这个进化，它居然产生这样一个机制，就是它能够记住谁伤害过我。
它怎么记呢？它记的是进来的这个病毒的序列。它记住以后。它就把它放在一个库存的这样一个结构里面去，等到第二次它再来的时候，它就可以迅速做出反应来，当大家最终把这个搞明白以后，迅速地想到我们居然把它可以用到一个更高级的更广泛的领域。在真核更高等的细胞里面做基因组编辑，那我们就形成了所谓的CRISPR或者说CRISPR CAS9系统，那么这个系统比前面的ZFN就是锌指酶，或者TALEN它有更高的普适性，它的门槛更低，它因为机制决定的。
所以又是一个全民狂欢大家蜂拥而上，用这个来做各种各样事情，做基因的编辑，把基因给敲掉，把各种事情把各种不同东西置换上去，来研究各种各样的一些问题。
那么我们做了一些也做一些很多类似的事情，但是我们同时做了这样一件事情，就是我们建成了一个所谓的高通量的一个筛选平台，那么什么意思呢？就是通常情况下我们会把单个的基因，或者单个的片断，把它给改变或者修饰或者敲掉太慢。
对于一个未知的问题这太慢，所以通常情况下大家希望，有一个海量的高通量的，你一次可以看几十几百，上千甚至上万的这样一个规模，来迅速地建立因果关系。那么这个事情，我们这个平台干的就是这样一件事情，就是迅速地能够大量地把非常多的基因给敲掉，而且是按照我们意愿给敲掉的，然后之后，我们通过这个最后的表型建立因果关系，就迅速地确立了什么事情。
什么东西干什么事情这样一个问题，那么更通俗一点在医药领域，其实它有类似的非常广泛的一些应用。
比如说我们知道一个药品研发，它需要从药物靶点的确定开始，然后一直到金字塔尖上边把这个药给研发出来，那么它的基础它最本质的是：了解一个问题的本质，也就是说我药物我针对谁，我靶点是什么？这恰恰就是类似这样的平台可以做这样一件事情。那么最吸引眼球，或者说我们现在最觉得欢欣鼓舞的是，我们终于想到或者感觉到。我们可以干这样一件事情，就是可以产生一种全新的一个治疗方式，因为这是一个分子剪刀在分子水平上边，它可以精确地定导它，精确的定位，所以我们可以用来治疗一些遗传病。
比如说地中海贫血或者镰刀型贫血症，这是一个单核苷酸。它的改变导致的遗传疾病，我们可以利用这把分子剪刀把它给修复回来，我们可以治疗艾滋病或者更好地来治疗癌症。
所有这些应用都面临一个技术屏障，那么这种挑战是什么呢？是两点；一个是所谓的中靶效率，一个是所谓的脱靶效应。那么中靶效率就是说你用这把剪刀，你得多快你多有效率。脱靶效应就是说，你不该干的事情你可不能干，你干了会出大问题。所以这两个博弈是我们技术上边面临的最大的挑战跟问题。
但其实你仔细想一想，我们其实已经可以开始扮演上帝的角色了，因为我们居然可以改变我们遗传上的一些重要的信息。那么是不是我们立刻面临另外一个，也许更大的挑战其实是道德甚至是伦理层面的挑战。
我们是不是可以无所顾忌用这把锋利的剪刀做我们任何想做的事情，还是说我们要有所不为，我们有没有底线，我们应不应该设立底线。我们底线是什么？我们底线是生殖细胞吗，其实我并没有答案，因为这是一个充满争议的话题。我只是提出问题让大家思考一下，那么这个技术其实从它的开始到现在，我们觉得已经非常非常厉害。因为它可以做前所未有之前完全不能想象的一些事情，那么它技术有没有提升的空间，它是不是已经足够好了？
那我想做一个简单的类比，有另外一个技术叫深度测序，或者叫测序技术。大家都知道那么测序技术其实它在人类基因组计划里面，在上世纪末到本世纪初大家花了大概十年时间，三十亿美金完成了，那么我们现在的技术到哪一步了呢？
大家可以看一下它基本上没有遵循所谓的摩尔定律，或者它只是在一段时间内遵循这样一个摩尔定律。它因为革命性技术的出现以后，它其实从2001年到今年它的所有花费几乎降了有几万倍，同样它的速度也得到了相应的提升，所以我有理由相信基因组编辑技术，它只是一个开始它还处在萌芽阶段。
我们的确可以做很多以前不能做的事情，因为我们通常情况下我们是打哪才能指哪。因为我其实不知道打在什么地方？
我不知道该指什么地方，但是我先打，打完以后再去找到这个地方，然后我可以指给你看说：“这是我要打的地方”。我碰巧打到这个地方，但是现在我们已经开始过渡到另外一个阶段，叫做指哪打哪。就是我就要打这个地方，我就能够实现。
但它存在非常大的技术提升的一些空间，但同时我们面临巨大的挑战，那么我们现在大家非常热衷一个词，叫精准医学或者精确医疗。那么大家更多地谈论深度测序或者测序技术，对它的重大的一些影响。其实一体的两面，它另外一个精准的治疗，恰好是基因组编辑技术，未来可以有大有用武之地的地方。
谢谢大家！
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