發布日期：2018-01-30

        編者按：近日，知名醫學博客作者David Grainger博士在Forbes發表了一篇名為“The Cult Of DNA-centricity”的長文，分享了他對于基因療法時代迷思的一些思考。在今天的這篇文章中，我們也將整理Grainger博士的觀點，供大家一道思考和討論。

        了解DNA在生物學中的地位可以說是二十世紀最重要的科學進步，沒有之一。這是我們了解遺傳的分子基礎，并逐步了解遺傳密碼如何翻譯成蛋白質，從而為人體的運作機制提供全新的見解。

        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養不良癥的起因是單個基因的DNA序列中的錯誤。

        20世紀的最后幾十年中，由于DNA測序技術的快速發展，最終使得我們在千年之交得到了第一個完整的人類基因組序列。基于此，新的分子遺傳學研究確定了數以千計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揮漣漪效應。現在，第一個被批準用于治療遺傳病的基因療法已經上市，為RPE65基因突變的個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，從而治療遺傳性視覺退化癥。

        編碼正常凝血所必須的蛋白質因子VIII的基因突導致A型血友病。這種缺陷的遺傳基礎在20世紀80年代被發現后，Genentech的科學家克隆了該基因的正常拷貝并將其插入到培養的細胞中，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有效的因子VIII，因此需要周期性地接受注射。

        下一步的目標很明顯，那就是將基因的正常拷貝直接放入病人體內。然而實現這一步花費了三十年的時間，才逐步克服了將新的DNA序列引入人體的各種技術挑戰。但是現在基因療法已經成為現實，有多家公司正在爭相推進“治療一次使用終生”的治療方案，給病人一個正常的基因拷貝，這樣他們就可以持續生產自己的因子VIII。

        基因治療的旅程到這里還沒有結束。隨著CRISPR的發現，生物學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單地進行DNA編輯。

        面對這樣喜人的進展，DNA在生物學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，糾正序列錯誤可以治愈病人。同時，分子生物學語言也在支持這種以DNA為中心的觀點，分子生物學中心法則 “DNA → RNA → 蛋白質”深入人心。這使人們覺得，如果我們能夠克服剩下的技術障礙，讓我們能隨意編輯DNA，就可以實現沒有疾病的烏托邦了。

        但是，這個以DNA為中心的敘述是否準確？

        針對基因突變的基因治療的確令人振奮，但糾正DNA這個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“罕見疾病”（即一個或兩個基因的缺陷導致的早發性遺傳性疾病）的機制方面很成功，但卻并不能推廣到對于隨著年齡增長而影響我們幾乎所有人的遲發性退行性疾病上。治療“罕見疾病”的驚人進展與治療老年病方面幾乎完全沒有進展（更不用說治愈疾病）形成鮮明對比。對于2型糖尿病，自身免疫性疾病和神經變性疾病如阿茲海默病，我們依然束手無策。

        由于在基因組革命早期發現了“罕見疾病”背后的遺傳基礎，我們普遍的假設認為老齡相關疾病基本上也是以相同的方式引起的，只是涉及的基因數量較多（可能是幾十甚至上百個基因），這些基因可能分布于兩個或三個相互作用的生物途徑上。全基因組關聯研究（GWAS）是一種用于鑒定與生物學特性（如疾病）相關的DNA序列改變的統計學框架，所有人都焦急地等待著通過這些研究來了解年齡相關的退行性疾病的原因。幾乎二十年過去了，我們還在等待。

        今天，顯而易見，答案將不會來自于全基因組關聯研究。但是，以DNA為中心的思想如此強大，大多數科學家似乎不愿質疑這些遲發病的原因必須來源于基因變化的這一基本假設。

        第二個限制也是顯而易見的：DNA和數據一樣，本身不能做任何事情。你的計算機上的數據需要應用程序來解釋它，屏幕和揚聲器來展示它，鍵盤和觸摸屏與它進行交互。類似地，DNA序列信息（盡管它存在于物理對象中，即DNA分子，就像計算機數據駐留在硬盤上一樣）在將其轉換成可執行功能的蛋白質之前是無法有所作為的。

        而蛋白質是執行這些功能的關鍵，包括維護DNA序列（每次復制都會出現錯誤，蛋白質必須在這些錯誤被永久地整合到序列中之前迅速修復），在每個細胞分裂時復制DNA，以及翻譯更多蛋白質中的DNA序列。中心法則是不完整的，它應該是：DNA → RNA → 蛋白質，而蛋白質又能制造DNA。沃森和克里克（Watson & Crick）的表述將DNA置于層級的頂端，而實際上它是生命圈中的平等伙伴。

        這個定義的改變看起來很細微，但卻非常重要。所有疾病（甚至所有的生物學特征）都是由蛋白質的差異引起的，正如A型血友病是由于因子VIII蛋白質缺乏引起的一樣。在這一遺傳病的例子中，因子VIII蛋白質水平的差異恰好是由編碼它的DNA序列的突變引起的。

        但蛋白質序列不僅僅是由基因序列決定的。蛋白質不是一成不變的，它們是由氨基酸分子組成的，而這些分子容易發生變化，無論是受控的還是意外的變化。生物學家對蛋白質的受控改變（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反應中發生改變，從空氣中的氧化反應到與葡萄糖反應，形成所謂的高級糖化終產物（縮寫為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，對于蛋白質不穩定性的研究缺乏激情，因為人們普遍認為DNA序列位于層次結構的頂端。畢竟，如果一種蛋白質被損壞了，那又如何呢？它將在一段時間內被一個剛剛依據DNA藍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，損壞的舊蛋白質就會被完美的新蛋白質取代。

        大多數情況下，這個假設是正確的。很難想象一個人由于蛋白質受損而導致某種遺傳性疾病。從一開始，進化已經選擇了相對穩定的蛋白質序列，除此之外，我們還有一系列清除舊的受損蛋白質的機制。如血友病這樣的遺傳性疾病，雖然由蛋白質功能的喪失 引起，但是實際上根源來自DNA序列的改變。

        那么，如果蛋白質的損傷增加了它的穩定性呢？情況就不同了，即使有一個完美的正常基因序列來合成完美的蛋白質新副本，但是因為損壞版本的壽命更長，它會隨著時間的推移逐漸積累。最終，功能改變的受損蛋白質的量可能變得足夠高，從而改變細胞或組織的功能。此時，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的疾病常常需要幾十年才能發生（即使您的基因組序列與您出生的那天相同）。 受損蛋白質的潛在積累是個緩慢的過程，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——因為答案從來不在DNA序列中。

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

        然而，這一切都不應該讓人吃驚——大多數讓你成為一個獨特個體的東西是編碼在身體細胞和蛋白質的三維模式中，而不是在你的DNA中。例如，你的記憶沒有DNA的基礎——它們存在于你大腦的神經聯系中。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老化的結果。你是你的基因產物，但也是你環境歷史在你的蛋白質上留下持久印記的產物。

        一旦中心法則被擴展為一個循環，老化對基因組和蛋白質組損害的必然重要性就會變得明顯。基因療法，無論是傳統的體細胞基因轉移還是下一代的基因編輯策略，不足以實現人們希望實現的目標。但要說服科學界相信這一點，還需要很多工作。

        好在，積極的一面是，這種想法開辟了一個新的領域——蛋白質組損傷研究。通過尋找在與年齡有關的疾病中累積的受損蛋白質變體（Radman博士稱之為超穩定危險變體），科學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，研發新的藥物。蛋白質組不穩定革命比基因組革命承諾著更大的醫學進步。

        而我們必須克服對DNA的崇拜。

        參考資料：

        [1] The Cult Of DNA-centricity

來源：藥明康德