“精準”技術誕生的人類嬰兒：謝曉亮和北大的故事

第一位MALBAC寶寶周歲照（左：謝曉亮；右：陸思嘉）

　　1、女明星與被拒的申請

　　2013年，有關個體化醫療最大的新聞之一是女星安吉麗娜·朱莉宣布自己已“預防性”地切除了雙側乳腺，原因是她攜帶一種“錯誤”的基因——BRCA1，這種基因會極大增加攜帶著罹患乳腺癌和卵巢癌的可能性——她大概會有87%的幾率患上乳腺癌，50%的幾率患上卵巢癌。

　　差不多在同一時間，哈佛大學教授謝曉亮為自己的基因檢測方法MALBAC（多次退火環狀循環擴增技術）在輔助生殖和癌癥診斷方面的應用而申請美國國立衛生研究院先鋒獎——那是美國國立衛生研究院一項鼓勵創新的重要科研資助，以高賭注（High-stake）聞名，專門投給那種特別難，不容易成功，但又極其基礎和重要的研究，獲得者將在之后的五年中幾乎無條件地每年獲得50萬美元的自由支配經費。

　　“如果父母得乳腺癌的幾率高的話，你的方法能不能選出一個小孩，讓她得乳腺癌的幾率低”。答辯中，一位當天上午剛剛看到了茱莉預防性切除乳腺新聞的答辯委員會成員問道。

　　“是的”，謝曉亮當時回答。他的意思是：技術上可以做到。

　　在兩年后的今天，重新思考這個問題，他搖搖頭，說，“我還沒想好怎么回答這個問題。像茱莉的BRAC1那種致病基因并非都100%致病……而且你知道，在西方，他們認為，父母沒有權利決定一個孩子的命運，像茱莉，她要切除乳腺，是她作為一個成人她自己下的決定。”

　　那次申請，資金申請下來了，卻只是針對MALBAC在癌癥方面的應用，而使用MALBAC進行胚胎篩查在美國沒有得到支持。在那次用于生殖應用研究的申請被拒前幾天，謝曉亮在國內收到一封中文的求助信。發信者是位生活在中國的渴望能做父親的人——Q。

　　2、30億分之一的堿基缺失

　　Q患有一種單基因顯性遺傳病，那是一種與常染色體上的基因缺陷有關的遺傳病，屬于發生率低于萬分之五的罕見病中的一種。患者的肩、膝、肘等關節處會發育出多處骨軟骨瘤，導致生活不便以及疼痛，唯一的治療方法只能不斷通過手術方法切除這些腫瘤。

　　在國外一些罕見病相關的公益論壇上，Q了解到，有可能使用胚胎植入前遺傳診斷（PGD）的方法生出一個健康的孩子。PGD通常是指在體外受精過程中對有遺傳風險的胚胎進行遺傳學分析，選擇基因正常的胚胎移入宮腔。

　　2012年， Q去國外的生殖診所咨詢了基因咨詢師，認識到了自己疾病的復雜性——要對后代進行基因篩查，必須首先精準地定位疾病相關的致病突變。回國后，在通過美國貝勒醫學院和北京基因檢測機構朋友的幫助下,Q對自己及部分家人進行了基因測序，結合了一篇日本的研究者進行的遺傳性多發性骨軟骨瘤家系及相關致病基因的研究，基本定位了自己的疾病源于EXT2基因上的一個微小的變異。

　　人類的染色體上有30億個堿基對，EXT2基因是其中的一條有14萬9千多個堿基對的DNA序列，這條序列具有豐富的多態性，2011年的一篇論文顯示，它的突變類型至少有84個，而Q的致病突變是第二號外顯子的某個位置缺失了一個胞嘧啶核苷酸（C），是這個基因上14萬9千分之一的缺失，放在整個人類基因組中，是30億分之一的缺失。當時的基因診斷技術，只能對地中海貧血、血友病等少數幾種了解得比較透徹的單基因疾病進行篩查，因為當時的主流方法不能對這種單個位點進行精密檢測，而對遺傳性多發性骨軟骨瘤這類不多見的單基因疾病患者，想擁有一個健康的孩子，仍然是件拼幾率的事情。

　　2013年，有朋友介紹Q讀了謝曉亮關于MALBAC的論文，并介紹說，這項新技術有可能對單個致病位點進行植入前篩查，幫助下一代免于該遺傳疾病的困擾。于是Q便發信向謝曉亮求助。

　　3、精準的極致

　　MALBAC的精髓在于“精準”。這項技術的初衷是測量單個DNA分子中的基因序列，而謝曉亮的實驗室，長期以來致力于研究單個分子。

　　“在只有一個拷貝的情況下，還能檢出所有該檢出的東西，幾乎是精準的極限了”，陸思嘉這樣向《知識分子》介紹MALBAC，這個年輕人是謝曉亮的博士研究生，2012年MALBAC論文的并列第一作者，目前是國內主推單細胞測序的億康基因公司的CEO，他回憶，“當時我們其實只是在追求這種科學上的極致，用途什么的，想的并不多”。

　　傳統的測序方法源于桑格。1977年，桑格提出末端中止測序法，奠定了核酸測序技術的基礎。根據桑格的方法，用酶將DNA雙螺旋在不同的字母以及不同長度上咬斷，然后將無數的斷點拼成一條DNA鏈。桑格之后，又有人利用顏色熒光標記去捕捉DNA聚合酶合成互補鏈時發出的熒光信號，經計算機軟件處理后，獲得待測DNA的序列信息，這便是更迅捷和準確的二代測序技術。二代技術的代表產品包括Life Technologies 的SOLiD和Illumina的HiSeq。謝曉亮的實驗室投入到MALBAC的研究，是在“SOLiD3剛剛開始，Illumina還沒有推出HighSeq”的時代。而對于單分子這樣小的樣本量，所有這些傳統的測序方法就顯得精確度太低了。

　　為什么樣本量太少會測不精確？測序的第一步需要先將樣本擴增，一旦復制中出現微小的錯誤，在接下來的指數復制過程中，錯誤被不斷放大，實驗者沒有辦法區分哪些信息來自錯誤副本，哪些信息來自母本。要做到精確，辦法之一就是使得測序的復制程序中每一個拷貝都來自最初的母本。謝曉亮團隊最初嘗試過的方法包括引入第五個堿基，用以區分副本和母本，然而，效果并不如所愿。最終被采取的辦法是用某種環狀結構將拷貝鎖定，讓拷貝無法復制自己，所有的拷貝只能來自母本。整個過程耗時三年，在2012年發表于《科學》雜志的文章《基因水平上對單細胞中單核苷酸和重復片段的檢測》中，他們指出，新方法尤其適用于樣本少，或對測序精度要求高的情況，比如，胚胎的植入前篩查，以及癌癥的致病突變。

　　4、靠運氣還是靠科學

第一位MALBAC寶寶出生照（前排左起依次為謝曉亮、喬杰、湯富酬）

　　從技術到嬰兒，不到三年時間。

　　收到Q的來信后，謝曉亮馬上意識到，這是一個足以避免“茱莉式”的倫理問題的病例，“一旦受精卵里有致病的等位基因，嬰兒100%會得這個病” ，因此有充分的理由去避免這樣的胚胎。他把郵件轉給了他們在北京的合作者湯富酬，一位北京大學BIOPIC的年輕教授，主要研究方向是生殖細胞與胚胎干細胞。信又被湯分享給了他的合作者，北醫三院的喬杰團隊。MALBAC 在生殖上的應用在中國開始了。

　　同年5月，在喬杰、謝曉亮、湯富酬三個人的聯合團隊與Q取得聯系并進行論證，10月取卵，經過了胚胎的培養和篩查，從18個胚胎中選出了7個完全正常的胚胎。兩個月后，醫生們選了質量最好的第4號胚胎進行植入。次年10月，寶寶出生，體重4030克，身長53厘米。隨后的臍血基因檢測再次證實，嬰兒不含致病位點。這是世界上第一位運用MALBAC技術進行篩檢而生出的嬰兒。

　　在這之后不到2個月，第二位MALBAC寶寶出生，這個嬰兒的檢測中甚至不需要提取胚胎細胞——因為致病基因來自母親，聯合團隊使用卵母細胞分裂成卵子時殘留在細胞中的極體進行檢測，便足以檢出胚胎是否攜帶基因缺陷，這個極體測序的技術發表在了《細胞》雜志上。

　　人類大概有超過7000種具有遺傳性的罕見病，這些疾病的很大一部分是緣于單基因突變，現在被確定為單基因疾病的罕見病有超過400種，這其中，研究比較充分的大概五十多種。目前，在北醫三院生殖醫學中心，MALBAC方法已經為33對夫婦進行過植入前胚胎的遺傳篩查，目前出生的嬰兒已有6名，妊娠中3名。這種方法所覆蓋的單基因疾病已經有18種，除了多發性骨軟骨瘤，還有少汗型外胚層發育不全、脊肌萎縮癥、楓糖尿病、多囊腎、α-地中海貧血、原發性免疫缺陷等等。而在北醫三院，每年進行的胚胎植入前遺傳診斷或篩查的病例大約有300例，這些，都可以利用MALBAC擴增測序方法。

　　篩選時所用的是否是正確的致病基因同樣至關重要。“畢竟，對發病率低的相關疾病遺傳學方面研究并不是非常充分”……對家族病史研究的不足，以及國內遺傳咨詢方面的缺失，也是目前針對家族遺傳病進行產前篩查時的一個重要瓶頸所在。“前幾例大部分都是醫院生殖與產前診斷的醫生在做”，陸思嘉告訴我們，目前已有美國的執證遺傳診斷師參與進來，對疑難病例進行確認。

　　“遺傳學診斷與基因檢測同樣重要，因為我們的目的是為了得到一個優秀的胚胎”。斯坦福大學醫學院胚胎學家、試管嬰兒技術專家貝爾博士（Barry Behr）談及這個問題時表示，他認為，在與遺傳疾病有關的生殖篩查中，從致病基因與相關缺陷的定位到篩查，每一個環節都必須百分百的精確，“這件事情不能靠運氣，這是精準的科學”。

　　對話謝曉亮：

　　這么快造福人類是我預先沒有想到的

　　遇見謝曉亮老師是在十月，第一個MALBAC寶寶一周歲之際。這位哈佛大學教授是一位在基礎科學方面非常知名的科學家，他生于學術世家，強調“一個科學家的成功很難設計，很多東西還是要回到基礎研究，回到我們最本源的興趣、好奇心”，卻也忘不了表示，“我也比較希望讓自己的科技成果——甭管是基礎的還是應用的——都能夠造福人類”。

　　問：與某些也在基礎科學上作出過重要貢獻的科學家相比，您顯得比較關心自己的研究成果得到應用，希望它能夠造福人類。

　　謝： 可能每一個人都希望自己能夠做點造福人類的事情，但作為一個科學家，如果你一心就想“我要造福人類”，也不一定能實現自己的愿望，因為很多東西還是要回到基礎研究，回到我們最本源的興趣、好奇心。三年之前，我們誰也么沒預測到 MALBAC嬰兒。所以，我覺得一個科學家的成功，是很難設計的。我可能屬于興趣比較廣泛的那種（科學家），我對科學研究感興趣，我也比較希望讓自己的科研成果——甭管是基礎的還是應用的——能夠造福人類。（這個愿望可以實現），應該算是我們比較幸運吧，當然了，我們的團隊也非常齊心合力。

　　問：您目前最滿意的研究是哪一項？是MALBAC嗎？

　　謝： MALBAC 的使用性和影響范圍也許是我們目前所有研究成果中最大的， 現在MALBAC嬰兒都一歲了。我自己有時候都覺得有點不大相信， 我們實驗室發明過很多技術，但MALBAC技術可以這么快的造福人類是我預先沒有想到的，我們很滿意， 但也在繼續創新。

　　問：談談您是如何想到做MALBAC這類研究的？另外，您覺得，自己是化學家、物理學家，還是生物學家？

　　謝：我從小就喜歡物理，好動手。我大學專業是物理化學。研究生時用超快激光研究化學和生物化學反應動力學，以后一直想用新技術手段來解決科學問題。研究的好機會往往在學科交叉之處。獨立工作后，我的研究小組一直在作單分子的研究，用來理解生命過程，先在細胞外，后在細胞內。幾年前我們在做新一代測序儀。我很自然就想到把測序做到單細胞單分子的水平。

　　問：您怎么看精準醫療？

　　謝：精準醫療不是幻想，而在變為現實。我覺得我們和北醫三院喬院長的工作是精準醫學的一個生動案例，有什么比一個細胞更精細？比一個堿基更準確？我們終于有辦法在單分子的水平上來檢測、理解，甚至改變生命了。這是很激動人心的事！