互动科普

研究人员正在开发能够控制外源基因表达的分子开关，为更安全的基因疗法铺平道路。

医生一直希望能够通过导入若干功能基因，来治疗多种遗传病。基因能指导细胞合成蛋白质。所以从理论上讲，将功能基因导入病人体内，就能够源源不断地产生病人所缺乏的某些蛋白质。但基因疗法的发展过程麻烦不断，部分原因是，科学家既无法精确地把某个或某些基因插入人体特定部位的细胞DNA，也无法精确控制这些外源基因的活性（这决定了蛋白质的合成量）。如果这两个问题不克服，就可能会产生一些糟糕的副作用——比如恶性肿瘤。

为了解决蛋白质合成位置和产量不受控制的问题，一个合理的方案是为治疗基因加上一种可靠的开关，能够根据需要打开或关闭基因的功能。“恰好，昆虫在控制周期性蜕皮时就会用到这样的开关，”柯克告诉我。他是Intrexon公司的董事长兼首席执行官，他的公司目前正致力于开发新的基因工程技术。

事情是这样的，昆虫的蜕皮过程不仅仅是开始，然后停止这么简单：它们总是处于蜕皮或者不蜕皮的两种状态之一。只有时机成熟时，驱动蜕皮过程的基因通路才会重新激活，而在此之前，这条通路会一直处于完全关闭的状态。柯克感兴趣的是，在这条通路中起着总开关作用的基因。这段基因能够编码一种激素——蜕皮激素（ecdysone）。当蜕皮激素在昆虫体内分泌释放后，会启动一系列基因，生成新的外骨骼。新的外骨骼成熟后，昆虫开始褪去旧皮。当蜕皮快要完成时，蜕皮激素的水平会重新回到零点，使整个基因通路重新关闭。对Intrexon公司来说，重要的是，这个开关在关闭时非常可靠：在缺乏蜕皮激素时，昆虫绝不会蜕皮。只有等到下一次昆虫要准备蜕皮时，开关才会允许这组基因重新开始运作。

Intrexon公司的科学家决定利用蜕皮激素这种安全可靠的特性来控制导入人体的基因。想象一下吧，所有转入的基因都将装备上这种生物开关，只有提供了蜕皮激素后才能开启，发挥疗效——这种蜕皮激素将经过改造，可在人体生理环境中发挥作用。当病人得到少量的这种激活剂（术语上称之为“配体”，ligand）时，只会激活少量外源基因，从而只合成少量蛋白质。而给予病人较高剂量的激活剂，就可以激活多数外源基因，产生大量蛋白质。当遇到特殊情况，需要中断治疗时，只需要停止补充蜕皮激素即可。蜕皮激素还有另外一个得天独厚的优势——它不会和其他内源基因发生相互作用（生物学家称之为“交叉反应”，crosstalk），因为人体不使用，也不需要蜕皮激素来调控基因的活动。正如柯克所说：“人类不会蜕皮。”

过去8年来，Intrexon公司已经给数千种人类基因装配上“蜕皮激素开关”。研究人员在实验中已经证明，人体内的任何基因装上开关后，都能被蜕皮激素控制。同时，他们还为开关上了另一道保险——细胞特异性启动子（cell-specific promoter）。所谓“细胞特异性启动子”，是指一段在特定组织（如神经元、血细胞或者肝细胞），或特定环境中（如肿瘤处在的低氧环境），才会让某些基因开始表达的遗传物质。加上这道保险，可以进一步减小基因疗法在非治疗部位引发副作用的风险。

与此同时，其他研究小组也在从另外一些生物学过程获取灵感，开发其他基因开关并添加调控机制。最终，在使用基因疗法时，我们可以导入多个由开关控制的基因，每个基因都可以根据需要单独开启或关闭，从而让这种疗法变得足够安全可靠，成为主流医疗方法的一部分。至少科学家是这样期盼的。在人体中的测试已经证明，这些开关能够如预期那样生效。目前，大多数研究都集中在癌症领域，这也是基因开关最可能大放异彩的地方。

细胞因子

具体来说，研究人员正在想办法将此类开关用在癌症的免疫疗法上，减轻病人在治疗时承受的痛苦。从本质上来说，目前非常火热的癌症免疫疗法，要么是唤醒病人体内休眠的免疫系统（有时，恶性肿瘤会释放化学信号，诱骗免疫系统，使其处于休眠状态），要么是发动一次全新的、病人免疫系统自身无法实现的强烈抗肿瘤反应，以清除病人体内的肿瘤细胞。麻烦的是，免疫系统经过重启后，非常容易过度运转，引起危及生命的高烧和全身水肿。

目前，基因开关正在接受检验，比如在谨慎挑选出的复发性黑色素瘤（一种皮肤癌）和乳腺癌患者中进行的小型临床试验。医生会给患者的1~2个肿瘤注入经过改造的基因，这些基因会促进细胞因子的生成，比如干扰素、白细胞介素等，它们将会在免疫系统与肿瘤斗争中发挥监控、调节等重要作用。研究人员认为，他们不需要对付人体内的所有肿瘤病灶，只要适当地加以引导，让免疫系统向某一处癌细胞发起攻击，前者就会自动寻找人体各处的肿瘤病灶，不需要进一步的刺激。

细胞因子能够引发多种生理反应——舒张血管，使免疫细胞赶往感染部位；激活杀伤性T细胞，而杀伤性T细胞尤其擅长摧毁癌细胞。白细胞介素12（IL-12）是最强大的细胞因子，然而时至今日，医生依然未能成功利用IL-12治疗病人。

导致失败的部分原因是，IL-12容易引起一场“细胞因子风暴”（cytokine storm），让免疫系统激烈地攻击人体自身。血流中少量的IL-12就可以引起血压骤降、肺功能受损和心脏问题，进一步导致器官衰竭甚至死亡。美国得克萨斯大学安德森癌症中心医学专家、Ziopharm Oncology生物技术公司的首席执行官劳伦斯·库珀（Laurence Cooper）说：“目前有大量研究证明，IL-12在肿瘤微环境中是有效的，IL-12就是免疫疗法中的圣杯。”如果基因开关技术能够做到只对单个肿瘤释放治疗剂量的IL-12，而不会引发细胞因子风暴，那将是一次革命性的飞跃。

研究人员可以向病人的肿瘤转入带有控制开关的IL-12基因，而在肿瘤部位，这些基因会进入多种细胞，包括已经在这里的免疫细胞——随后产生的细胞因子可以给予后者强烈的刺激。由于只有特定配体存在时，基因开关才会发挥作用，因此，医生可以缓慢增加药物剂量，激活基因开关，逐步提高肿瘤部位的细胞因子数量。一旦发现细胞因子风暴即将启动，医生可直接停止用药，以免给机体带来危害。

与Intrexon公司合作开发可控细胞因子疗法的Ziopharm公司已经报道了一些振奋人心的成果。柯克承认，在测试他们的方法时，或许应该选择其他温和一些的细胞因子而不是强力的IL-12，毕竟使用IL-12时，即使出现一个小小的差错，也有可能造成灾难性后果。但他也说：“我们选择了一个最暴烈的基因，就是希望能够考验这个开关。”换句话说，最重要的就是，开关被关闭后是否能一直维持关闭的状态？

答案是肯定的，在几家医疗中心开展的两项安全性研究（参与病人少于40人）证实了这一点。尽管没有病人被治愈，但结果表明由基因开关控制的疗法是相当安全的。尽管一些病人也出现了预料中的免疫过激反应，但他们停止服用蜕皮激素药片后，过激反应很快就消失了。

研究人员也发现了一些表明治疗方案有效的线索。在其中的一项研究中，研究人员为12名转移性乳腺癌患者注射了附有开关的基因。这些患者此前平均每人已经接受过8次其他方法的癌症治疗，生存希望日渐渺茫。不过，由于种种原因，研究者最终只对7名患者评估了新方法的疗效。结果显示IL-12疗法确实使一部分患者的肿瘤缩小了。其中三名患者，至少在临床实验的短时间内病情是保持稳定的。在另一项安全性研究中，26名转移性黑色素瘤患者（之前平均接受过6次治疗）在接受新疗法后表现出了细胞因子水平上升和其他抗癌反应。2015年5月，Ziopharm启动了另一项研究，利用开关控制下的IL-12基因治疗多形性成胶质细胞瘤（一种极为恶性的脑癌）。

核酶开关

哈佛大学医学院的理查德·马利根（Richard Mulligan）一直在探索另外一类开关。他主要研究一种叫作核酶（Ribozyme）的天然RNA分子。有关核酶的最早研究出现在上世纪80年代。核酶与酶类似，具有催化体内化学反应的能力，但大多数酶是蛋白质，而核酶则由RNA构成。一些核酶能够自我切割，并且还能诱导与它配对的遗传物质自毁，这些特性使它可以成为一个有用的开关。

马利根的研究催生了一种连接在信使RNA（mRNA）而非普通基因上的核酶。当细胞合成蛋白质时，首先会把DNA的编码信息复制到mRNA上（这是一种方便移动的单链遗传分子），然后再把mRNA上的指令翻译成蛋白质。从细胞的角度看，引入一段DNA或引入相应的mRNA，最终效果是一样的——都是产出某种蛋白质。

首先，研究人员将编码核酶的基因和编码治疗性蛋白的基因组合在一起，并把这段组合基因植入细胞。如果细胞将这段合成的DNA（即前面的组合基因）转录成了mRNA，核酶部分就会发生自我剪切，导致剩余mRNA分子出现缺陷；周围的细胞器会分解这段mRNA，使蛋白质的合成陷入停滞，就好像这个基因被关闭了一样。

2000年，耶鲁大学的罗纳德·R·布里克（Ronald R. Breaker）和同事展示了如何保护RNA，并在需要的时候关闭蛋白合成。他们将核酶与一种叫适配子（aptamer）的分子连接起来。适配子是一种能够被特定药物激活的感受器。当且仅当该药物存在时，感受器的形状才会发生改变，防止核酶破坏mRNA。在mRNA完整的情况下，细胞就能产生特定蛋白质。而停止施加作用于感受器的药物，核酶和mRNA便会自毁。

到2004年，马利根和同事已经精心设计了多种针对不同药物的感受器，并把它们组装到核酶开关上，而且他仍在不断改良这项技术。马利根说，可以设计出具有高度特异性的感受器，进一步减小产生副作用的风险。和蜕皮激素开关一样，病人只有在服用特殊药片后才能开启基因表达，产生特定的蛋白质。停止服药，基因则保持关闭。

多重开关

尽管单个基因开关还不够完美，但研究人员预计，在不久的将来，多重开关将成为一种常用手段，从而更精确地控制基因疗法。将开关控制的基因疗法和其他抗癌手段结合起来，或许会取得非常丰硕的成果。

库珀已经将可控基因疗法和基于细胞的癌症治疗手段结合了起来。其中，基因疗法用于生成白细胞介素12和另外一种细胞因子——白细胞介素15（IL-15）。研究表明，IL-15可以增强IL-12对免疫细胞的激活效果。这种组合疗法的第三部分，也就是细胞部分，是一种经过基因改造的免疫细胞——CAR T细胞。相对于天然免疫细胞，CAR T细胞对癌变组织有更强的杀伤力。把受开关控制的IL-12与IL-15基因转入CAR T细胞，能够增强细胞的杀伤力和杀伤效率。由于使用了不同的开关和激活剂，库珀可以分别调整IL-12和IL-15的表达水平，优化整个治疗方法，直到最后找到一种IL-12产量最低的理想方案，尽量降低细胞因子风暴爆发的风险。库珀幽默地把这些经过改造细胞命名为“遥控CAR T细胞”。

虽然还有许多技术障碍需要克服，但我们已经可以看出这项技术的潜能。如果说，在上世纪90年代，向人体内插入新的基因是“基因工程1.0”，那么受开关控制的基因疗法就是“基因工程2.0”。也许在将来，医生给病人开的各种药片，不再是让强力的药剂进入每处器官和组织，在需要和不需要它的部位同时发挥作用（或许还伴随着各种副作用），而是在特定的部位、特定的时间精准地控制转入细胞内的基因。药物不再是在药厂的大罐或者生物反应器内生产，新型的基因疗法可以让病人在最需要的时间和最需要的部位，通过自己的细胞去生产所需要的药物。