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内容推荐

　　生物世界的基本规律之一是演化，演化的核心机制是自然选择，自然选择的基本单位是基因。 亿万年来，细菌在与病毒经久不息的鏖战中，演化出了一套适应性免疫系统：CRISPR。换言之，细菌会“记住”病毒的DNA序列，等后者再次入侵时予以反击，切断其DNA。亿万年后，生物圈的后来者——人类——认识了基因，解析了DNA的双螺旋结构，学会了“阅读”基因。现在，有了CRISPR这把利器，人类又更进一步，可以轻松“编辑”基因了。这意味着，在未来，理性设计将逐渐取代自然选择，成为生物演变的动力。人类已经有了重塑生物圈（包括人类自己）演化的惊人力量，但我们要如何承担这份责任？ CRISPR的发现与发展，是生物学进入21世纪以来最激动人心的故事，没有之一。CRISPR技术的先驱杜德娜与亲历者斯滕伯格，回顾了基因编辑技术的发展史，展望了未来的发展趋势，并梳理了相关社会与伦理议题。本书值得所有关心生物技术与人类命运的人阅读。

作者简介

　　珍妮佛·杜德娜（JENNIFER A. DOUDNA），博士，加州大学伯克利分校分子与细胞生物学系、化学系教授，霍华德·休斯医学研究所研究员，劳伦斯·伯克利国家实验室分子生物物理学与整合生物成像部研究员。2020年，因在基因编辑领域的卓越贡献而被授予诺贝尔化学奖。她是RNA与蛋白质生物化学、CRISPR生物学与基因组工程方面的S界级专家，美国科学院、美国艺术与科学院院士。

目录

　　上篇 工具

　　 1. 寻找解药

　　 2. 细菌的新防御机制

　　 3. 破译密码

　　 4. 指挥与控制

　　下篇 任务

　　 5. CRISPR生物园

　　 6. 治病救人

　　 7. 盘算

　　 8. 接下来呢

　　尾声：新起点

　　致谢

　　注释

序言

　　梦里，我站在海边。 左右两侧的沙滩上，黑 白相间的沙子沿着海岸线向 远方铺开，围出一个海湾的 轮廓。这时，我意识到，这 是夏威夷岛的海岸线，是我 长大的地方：西洛湾。每逢 周末，我和小伙伴都会来这 里，看皮划艇比赛，捡贝壳 ，不时也会在岸上捡到日本 渔船落下的玻璃珠。 但是今天，没有小伙伴 ，没有皮划艇，也看不到渔 船。海滩空无人影，水面波 澜不惊，安静到有点不自然 。在水天交界处，天光与海 水嬉戏，这似乎缓解了我的 恐惧？自从懂事起，我就一 直怀着这种恐惧。事实上， 西洛岛的每一个居民，无论 年龄大小，都有这种恐惧。 我们这代人在成长过程中没 有经历过海啸，但是我们都 见过海啸照片。我们知道， 西洛岛正处于海啸途经的地 带。 果然，远远地，我看到 了一排浪花。 一开始它很小，但每过 一秒它都在变大，我眼看着 它开始耸立，直至白浪滔天 。在它后面，还有更多的浪 ，向海岸涌来。 我吓坏了，但随着海啸 临近，我的决心战胜了恐惧 。我注意到身后有一间小木 屋，这是朋友普阿的家，屋 子前面有一堆冲浪板。我抓 起一个，跳进海里，滑进海 湾，绕过防波堤，一头扎进 浪花。我成功躲过了第一个 大浪，没有被它掀翻，等我 从浪的另一头出来的时候， 又沿着第二道大浪往下滑。 这时，我看到了一片美景？ 近处白山，远处的长山，耸 立着，直入云霄，似乎在保 护着海湾。 我一激灵后醒来，意识 到自己正躺在加利福尼亚（ 以下简称加州）伯克利市的 家里，与夏威夷远隔数千英 里（1英里≈1.6千米）。 这是2015年的7月，当时 正是我这辈子至今最兴奋难 当的一段日子，我开始经常 做这样的梦。回头来看，梦 境的深层含义不难理解。当 然，海滩是想象出来的；但 是波浪，以及它们激起的情 绪跌宕——恐惧、希望、惊 叹——比真实。 我叫珍妮佛·杜德娜，是 一位生物化学家，职业生涯 的大部分时间都是在实验室 度过的。我研究的课题，除 了本领域的专家，外人知之 甚少。不过，在过去五六年 里，我进入了生命科学里一 个划时代的研究领域，它的 进展之快超乎想象，研究成 果也迅速从学界转化到社会 。我和同行惊叹于它的巨大 力量，这丝毫不亚于我梦中 的海啸。不过，这一次的巨 浪，我也曾为它推波助澜。 几年来，我参与筹建过 几个生物公司。到了2015 年夏天，它们的成长速度远 远超出了我的想象。但是， 这个领域的影响力远不止于 此，因为受影响的不仅仅是 生命科学，更是地球上的所 有生命。 本书讲述的就是它的故 事，也是我的故事，但更是 你的故事。因为很快，它就 会影响到你。 数千年来，人类一直在 不断地改造自然界，但是从 来没达到今天这么剧烈的程 度。工业化导致的气候变化 正在威胁全球的生态系统， 再加上其他的人类活动？它 们共同导致了物种的加速灭 绝，地球的生物多样性锐减 。种种变化促使地质学家提 议，把这个时代叫作“人类 世”。 与此同时，生物世界也 在经历着由人类引起的深刻 变革。数百万年来，生命遵 循着演化的原理而演变：生 物随机产生一系列的遗传突 变，其中一些为生存、繁殖 和竞争赋予了优势。事实上 ，直到最近，我们人类也一 直被演化塑造。自从一万多 年前农业出现，人类就开始 通过选育动植物撼动演化的 进程；但是演化需要的原材 料，即，一切遗传变异背后 的DNA（脱氧核糖核酸）随 机突变，仍是自发产生的， 人类的意志尚且干涉不到它 们。因此，人类改造自然的 能力是有限的。 今天，情况已大为不同 ，科学家已经完全掌握了控 制遗传突变能力。科学家可 以使用强大的生物技术来修 饰活细胞里的DNA，甚至改 造这个星球上所有物种的遗 传密码。在诸多基因编辑的 工具中，最新，也可能是最 有效的，当属CRISPR-Cas9 （简称为CRISPR）1。 …… 对于基因编辑的前景， 我感到欢欣鼓舞。无论在实 验室还是创业公司， CRISPR研究都进展迅速， 后者更是得益于投资人和风 险投资公司投入的巨额赞助 。为了促进该领域发展，学 术研究人员与非营利组织也 在向世界各地的科学家提供 廉价的CRISPR配套工具． 以免他们受到技术条件的限 制。 但是．科学进步不仅需 要研究、投资和创新，公众 参与也是关键。目前， CRISPR革命主要发生在实 验室和生物创业公司里。通 过本书的出版，以及其他同 人的努力，我们希望这些信 息能更加透明地传播给普罗 大众。 在本书第一部分，塞缪 尔和我分享的是CRISPR技 术背后惊心动魄的故事，包 括它是如何从对细菌免疫的 研究起步，以及如何受益于 过去数十年里试图改写细胞 DNA的研究工作。在第二部 分，我们探索了CRISPR现 在和未来在动物、植物、人 类中的各种应用，我们也讨 论了随之而来的巨大机遇与 严峻挑战。你会注意到，本 书采用的是第一人称的口吻 。书是我们合作完成的，书 中的观点也是我们都认可的 。之所以采取这种办法，一 是为了叙述清晰，二是为了 更

导语

　　2020年诺奖得主中引人注目的明星——珍妮佛·杜德娜，基因编辑领域的先驱者，她将个人经历、历史发展结合起来，真实而清晰地还原了基因编辑的故事。 基因编辑技术是21世纪重要的科学发现，没有之一。你想知道的所有问题都在其中：发现、发展、技术突破的“尤里卡”时刻，以及对未来的担忧，人类的未来究竟何去何从……《破天机》是基因编辑领域的《双螺旋》。 基因编辑在伦理、社会上的考量，亲历者本人深陷漩涡之中的挣扎和突破，清晰而生动，引领更多人思考、讨论。 基因编辑和双螺旋的胜利一样，是由许多科学家在合作和竞争中取得的突破，你能看到2020年获得诺奖的两位女性科学家是如何合作创造了奇迹。 这是一本人人都能读懂的书，不仅适合关心生命科学的人，也需要更广泛领域的学者、政策决策者以及每个普通人来阅读，因为这关乎所有人的未来，人人都将牵涉其中。

书评(媒体评论)

　　恰逢其时、引人入胜、 回味无穷，基因编辑的技术 突破是生物学历史上重要的 发现之一，《破天机》带你 领略了它的过去、现在和未 来。杜德娜和斯滕伯格将个 人叙事、科学数据与深刻的 历史视角结合起来，真实而 清晰地还原了基因编辑的故 事。这本书注定将马上成为 经典。如果你想理解生命的 未来，请阅读本书，并思索 它的深意。 ——悉达多·穆克吉，《 基因传》《众病之王》作者 ，普利策奖得主 基因编辑技术是我们时 代重要的进展，它将创造惊 人的机遇，也会带来严峻的 伦理挑战。本书继承了《双 螺旋》的传统，描述了科学 探索中激动人心的合作和竞 争所带来的突破，以及它对 我们未来的预示。 ——沃特尔·艾萨克森， 畅销书《乔布斯传》、《爱 因斯坦传》、《创新者们》 作者 杜德娜是科学领域的一 位先锋女性，她和斯滕伯格 合著的这本《破天机》激动 人心、惊世骇俗。两位作者 挑战我们直面基因编辑可能 带来的风险，虽然我们必须 同时拥抱它巨大的潜力。本 书为我们走向未来提供了路 线图。 ——阿里安娜·赫芬顿， 《纵容的力量》《睡眠革命 》作者，郝芬顿邮报创办人 、总裁兼总编 杜德娜是真正的先驱， 她把关于CRISPR的基础研 究与其在农业和医学上的应 用衔接了起来。她与斯滕伯 格合著了这本精美的小书， 无论是新手还是专家都能从 中获得阅读的乐趣。是时候 来了解一下这场可能改变世 界的革命了。 ——乔治·丘奇，哈佛医 学院遗传学教授，《再生》 作者

精彩页

　　1．寻找解药 最近，我听到了一个不可思议的故事，它充分体现了基因3编辑的力量和巨大潜力。 2013年，美国国立卫生研究院(NIH)的科学家们遇到了一个医学难题。这些研究人员在研究一种叫作WHIM综合征的罕见遗传病。但这位患者的状况令他们一头雾水。她从小就被诊断患有该病，但当国立卫生研究院的科学家遇到她时，疾病竟然奇迹般地从她体内消失了。 在世界范围内，WHIM综合征患者不过几十个人，但它是一种令人痛苦的，甚至可能致死的免疫缺陷疾病，患者的生活受到严重影响。它的起因是一个微小的突变——在人体32亿对碱基序列里．有一个字母出错了(区别只是几十个原子的大小)。这个微小的变异让WHIM患者特别容易被人乳头瘤病毒(human papillomavirus，HPV)感染，引起皮肤疣，后者失控地生长，最终演变成癌症。 国立卫生研究院的科学家遇到的这位患者。正是20世纪60年代该疾病首次被报道时的那位女孩——这也从侧面说明了该病的罕见程度。在学术文献中。她通常被叫作WHIM-09．但是我会叫她金女士。金女士从一生下来就患有WHIM，后来也因该病引发的严重感染多次住院。 2013年，金女士58岁了。她带着两个20岁出头的女儿。一道来见国立卫生研究院的研究人员。她的女儿也表现出了WHIM的典型症状，但研究人员惊讶地发现，金女士自己似乎安然无恙。事实上，她已经20多年没什么症状了。令人震惊的是．没有接受任何医疗干预，金女士自愈了。 金女士如何凭一己之力就从这种致命的疾病中逃过一劫？科学家通过精心设计的实验发现了一些重要的线索：在金女士的脸颊和皮肤细胞里，引起WHIM的突变基因仍然存在，但是在她的血液里，这个突变却不见了。研究人员对金女士血细胞的DNA进行了仔细分析，发现了一些更不可思议的事情：她的一条2号染色体上缺失了一段DNA，包括3500万个碱基序列，而这一段里含有完整的突变基因，叫作CXCR4。2号染色体上余下的大约2亿个碱基也被打乱了，就像龙卷风席卷过染色体。其中的碱基序列一片狼藉。 这些初步发现引发了一系列疑问。金女士体内其他细胞的DNA是正常的(CXCR4基因突变除外)，但血细胞里的DNA怎么变得如此无序？此外。考虑到含有CXCR4基因的染色体已经被打乱。而且缺失了164个基因，血细胞为何仍然能够存活，而且可以正常行使功能？人类的基因组里含有数千个基因，它们发挥着重要的功能，比如DNA复制和细胞分裂。金女士体内竟然会有这么多基因凭空消失了，而且似乎没有什么糟糕的后果，这到底是怎么回事？ 国立卫生研究院的研究人员进行了更多测试，终于为这种5惊人的自愈现象拼接出一个完整的解释链。他们的结论是，她体内的某个细胞必然经历了一种极不寻常但通常引发灾难性后果的事件——染色体碎裂(chromolhripsis)。这是一种新近发现的现象：染色体突然粉碎，然后重新修复，引起基因剧烈重排。它对身体的影响可能微乎其微(如果破损的细胞马上死去)，也可能非常严重(如果重排的DNA意外激活了致癌基因)。 不过。在金女士体内，染色体碎裂的影响却非同寻常。突变的细胞不仅长势良好，而且丢弃了致病的CXCR4基因，于是，WHIM综合征就自动消失了。 但金女士的好运还不止于此。国立卫生研究院的科学家发现，这个幸运的细胞还是一个造血干细胞，它可以通过无数次复制和再生，分化出各种血细胞。这种细胞不断复制、增殖，最终把金女士免疫系统里的白细胞都替换成了不含CXCR4突变拷贝的健康细胞。这一连串的事件听起来如此不可思议，但金女士的确因此康复了。 P2-4