“神话”蛋白
要说清楚基因编程时代的来龙去脉，我们还得从锌手指蛋白的问题说起。
上一章的故事里曾经提起过，一个由大约30个氨基酸构成的锌手指蛋白，和一段3个碱基组成的DNA序列，并不是严丝合缝地完美对应的。形象地说，一根锌手指会比一段3碱基DNA略大一点。因此可想而知，几个锌手指串联起来就有可能会互相干扰，就像如果我们试着戴上一副太大的手套，难免会出现两根手指钻到一个洞里的情形。所以针对任何一段DNA序列设计锌手指组合都是一个需要技巧和经验的任务。这是为什么圣加蒙公司依靠独门的锌手指组合筛选技术就可以独霸整个领域，也是为什么郑的团队会孜孜以求一种开放给全世界的锌手指组装平台了。
说得抽象一点，锌手指组合的可编程性是不完备的。是的，我们确实可以像玩乐高玩具一样把不同的锌手指组装起来，实现对任意一段DNA序列的精确识别。但是哪些锌手指可以组装在一起，哪些会互相干扰，仍然无法完全从理论上预测，就凭这一点，它也远没有乐高玩具那样完美地模块化——任意两块总是可以组合在一起。这一点严重限制了锌手指核酸酶的基础应用与临床应用。
一个可能性当然是给锌手指动动小手术，看能否把这种天然存在的基因组GPS改造成完全可编程的。我们当然也可以尝试一种更科幻的思路：如果我们暂且收回聚焦在锌手指上的目光，用上帝视角俯瞰整个地球生物界，在某一种地球生命内部，会不会已经存在着完全“可编程”的基因组GPS呢？我们一旦把它找出来，所有围绕锌手指核酸酶的技术和专利难题岂不是通通迎刃而解了吗？
尽管这种想法听上去像是神话，但不得不说，这样的想法是符合逻辑的。我们知道，生物体在亿万年的光阴里进化出锌手指，当然不是为了给后世的人类提前准备基因编辑工具的。生物体内的锌手指有着非常重要的生物学功能——精确定位DNA序列，调节基因在不同发育阶段、不同细胞类型、不同环境刺激下的活性。这一点，相信大家在TFIIIA的故事里已经能够一窥端倪。那么我们自然也有理由相信，千千万万种地球生命的亿万个细胞内，应该都拥有自己的基因组GPS，拥有用某种方法精确定位DNA序列的能力。既然如此，凭什么锌手指蛋白这种不完全可编程的方式就是最好的？自然选择这个地球上最伟大的生命建筑师，难道不会在某个角落已经为人类准备好了具备完全编程性的基因组GPS吗？
你可能会说，好吧，权且相信童话，权且相信王子和公主能幸福地生活在一起，但科学家们又怎么能真的把这童话里的主角给找出来呢？地球上已经发现的物种有上百万种，尚未发现的可能还有上千万种，难道还能一种一种地仔细审视一遍不成？
当然，如果我们的研究目标就是从地球生物身上寻找完全可编程的基因组GPS，我们就给自己安排了一项无比烦琐又看不到尽头的搜查任务。然而命运的安排有时候巧合得不可思议！就在圣加蒙公司小心翼翼守护着他们的锌手指组装专利，基思・郑在百折不挠地尝试着开发锌手指组装方法的2009年，两篇学术论文的发表震撼了整个基因编辑领域。
而且更有意思的是，这两篇论文还不是来自基因编辑专家，而是看起来风马牛不相及的细菌学家。换句话说，这些震动基因编辑领域的发现，纯属误打误撞，绝非精心策划的结果。
来自德国马丁路德・哈勒维腾贝格大学的细菌学家乌拉・伯纳斯（Ulla Bonas，见图4-2）在此前的20年里，一直致力于研究一种常见的植物寄生细菌——野油菜黄单胞菌野油菜致病变种。对于农业生产来说，这种细菌是个不折不扣的噩梦。它和它的近亲可以入侵包括水稻、番茄、大豆和青椒在内的上百种植物，在叶片上留下恼人的黑斑，甚至引发严重的植物叶斑病和溃疡病（见图4-3）。
图4-2 乌拉・伯纳斯
德国马丁路德・哈勒维腾贝格大学细菌学家。
和体型大得多的寄生虫类似，像黄单胞菌这样的寄生细菌会利用宿主的营养和资源来满足自身的生存和繁衍需要。而除了像寄生虫那样直接以宿主为食，黄单胞菌还能够巧妙地欺骗宿主细胞，让宿主细胞为自己生产出各种蛋白质。大家应该还记得我们讲到过HIV是如何进入人体免疫细胞，藏身于人类基因组中，并让人类细胞为它们繁衍后代的。黄单胞菌的本事就与这些狡猾的病毒类似。
当然了，和HIV不同的是，黄单胞菌不会直接进入植物细胞内，它们的个头太大，模样太显眼，很难逃过细胞内免疫系统的攻击。它们的做法显得更经济一些。简单来说，黄单胞菌会利用一套类似针头的装置，将自己的一些蛋白“注射”到植物细胞内。这些蛋白可以欺骗植物细胞，启动植物细胞的蛋白质合成系统，合成一些黄单胞菌急需的蛋白质，来满足它们的生存和繁衍需要。
伯纳斯感兴趣的正是这套精密的微型注射系统。早在20世纪90年代初，伯纳斯实验室就已经发现，黄单胞菌会注射一种名为AvrBs3的蛋白质进入植物细胞。一旦AvrBs3进入植物细胞内，它就能伪装成植物的转录因子，进入细胞核内启动蛋白质合成。而且很明显，AvrBs3的效劳对象并不是植物，而仅仅是黄单胞菌。伯纳斯他们发现，在AvrBs3的控制下，植物细胞会老老实实地合成一系列为细菌服务的蛋白质。有些蛋白质会运输更多的养分进入植物细胞（不用说，自然是为细菌之后的大餐做准备），有些蛋白质则会清除掉植物细胞内可能会毒害细菌的金属离子，等等。
很显然，AvrBs3必然像真正的转录因子那样，有精确定位DNA序列的能力，否则就无法解释为什么它能够启动几个特定基因、而不是所有基因的表达。与此同时人们还发现，和锌手指蛋白一样，AvrBs3蛋白内部也有一些重复的氨基酸序列，一个由34个氨基酸构成的模块反复出现了17.5次，彼此间的氨基酸序列的差别十分细微。
图4-3 柑橘溃疡病
一种由黄单胞菌引起的植物病害。
自然而然，伯纳斯他们希望搞清楚AvrBs3到底是怎样实现DNA序列精确识别的。是不是通过一种类似于锌手指蛋白那样的、由一段氨基酸序列对应几个碱基的识别机制？但我们可以想到，仅有AvrBs3一个蛋白实际上是无法展开研究的。伯纳斯他们需要一大批这样的同类型蛋白，才能通过对彼此之间的比较，理解其基因组定位的机制。
这一等就等了10年。到21世纪初，人们才逐渐开始意识到，在黄单胞菌的近亲中，像AvrBs3这样的“间谍”转录因子其实相当普遍。不同的细菌有不一样的植物宿主，因此，它们也都准备了不同的“间谍”转录因子，能够在不同的植物细胞中起到调节蛋白质合成的作用。于是大家干脆为这一类蛋白起了一个新名字——“TALE”（transcription activator-like effector, TALE。中文为“类转录激活因子效应蛋白”）。而这个英文缩写，恰好是“神话”的意思。
利用AvrBs3和它的近亲，伯纳斯终于可以开始尝试理解“神话”蛋白的工作机理了（见图4-4）。在2007—2009年期间，伯纳斯实验室彻底解析了“神话”蛋白的魔法。他们证明，“神话”蛋白的工作原理确实与锌手指蛋白类似。在锌手指蛋白中，30个氨基酸组成一根“黄金手指”，粗略对应一段3碱基的DNA序列。而在“神话”蛋白中，34个氨基酸组成一个“神话”手指，精确对应一个DNA碱基。在2009年，伯纳斯实验室和美国爱荷华州立大学亚当・伯格达诺夫（Adam Bogdanove）同时证明，“神话”蛋白具备完全可编程性。通过删减、添加和自由组合不同的“神话”手指，可以轻而易举地定位任意长度、任意序列的DNA片段。
图4-4 “神话”蛋白的工作原理
可以看出，和锌手指核酸酶系统不同，“神话”手指和DNA碱基乃是一对一的对应关系。每一段“神话”蛋白对应一个DNA碱基。如果将“神话”蛋白组装后与FokI剪刀相连，就可以实现DNA特定位置的切割和编辑。
毫无疑问，“神话”核酸酶（TALE nuclease, TALEN）比锌手指核酸酶要优越得多。完全可编程性让“神话手指”的组装变得极其容易，服务于锌手指的组合和筛选步骤变得完全没必要了。与此同时，因为每一根“神话手指”对应一个DNA碱基，而DNA一共只有4种碱基，那么理论上，我们只需要4根不同的“神话”手指就可以玩千变万化的万花筒游戏了。相比之下，每一根锌手指对应的是一段3碱基序列，而3碱基序列的可能组合有64种，做锌手指组合所需的手指数量，理论上显然多得多（现实中更是需要数百个）。
无意之中，基因编程时代的大门悄悄开启了。
过去20多年来，针对黄单胞菌进行的研究一直安静地待在生物学殿堂的角落——不管是从注意力角度还是从地理角度说都是如此。乌拉・伯纳斯的科学兴趣也始终是植物细菌和它们的宿主。在发现AvrBs3蛋白的时候，她一定没有想到这个狡猾的家伙日后会作为基因编程时代的领路先锋永载史册。没有比这更能说明科学探索的奇妙之处了！人类知识前沿的探索者在走向未知世界的时候，并不知道迎接自己的到底是猛兽出没的丛林还是伴随着鲜花掌声的坦途。也没有比这更能说明基础研究的价值了！人类知识疆域中任何看起来微不足道的扩展，都可能在不经意间打开全新世界的大门。
2009年，全世界对基因治疗和基因编辑心心念念的科学家们，在同一时间看到了这种诱人的可能性。
率先撞线者之一是一位年轻的华裔科学家张锋（见图4-5）。1981年生于中国河北石家庄的他，11岁时随父母移民美国，在著名的哈佛大学和斯坦福大学先后获得学士学位和生物学博士学位。值得一提的是，张锋在攻读博士学位期间的工作早已注定要载入史册。他和他的导师卡尔・戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）一起发展了光遗传学技术。这是一种利用光学刺激和光敏感蛋白，精密控制神经元活动的工具。对于希望理解大脑如何工作，又如何在各种疾病中导致故障的神经科学家来说，光遗传学是阿拉丁神灯一般的存在。
2011年，张锋和合作者设计并组装出了全新的“神话”蛋白，并证明它可以精确定位人类基因组并调节邻近基因的表达。与此同时，来自圣加蒙公司的科学家也证明，如果在“神话”蛋白上连上科学家们已经用过多年的FokI基因剪刀，新一代的基因编辑工具“神话”核酸酶就诞生了！他们证明，人工设计组装的“神话”核酸酶，可以媲美他们自己开发的锌手指核酸酶，能够对基因组实施精确而高效地编辑。
我们也可以说，圣加蒙公司这是在自己革自己的命。他们也明白，“神话”蛋白的旭日初升，标志着锌手指蛋白时代的落幕。哪怕不惜抛弃自己钻研已久的独门绝技，也必须赶上“神话”蛋白和基因编程时代的列车！于是，围绕锌手指核酸酶的争议和对抗，最终以一种出人意料的方式收场了。专利和技术壁垒阻挡不了人类了解自然、认识和改善自身的永恒向往。
图4-5 华人科学家张锋
在开发基于“神话”蛋白的基因编辑技术时，张锋刚刚结束了在斯坦福大学的博士研究，在哈佛大学接受了一份历史悠久的“青年研究员”职位。这个创立于20世纪30年代的精英学会巨星云集，包括行为心理学奠基人斯金纳（B.F.Skinner），二极管发明人、双料诺贝尔奖得主约翰・巴丁（John Bardeen），经济学家保罗・萨缪尔森（Paul Samuelson）等均是该学会的青年研究员。以青年研究员的身份，张锋在基因编辑技术先驱乔治・丘奇（George Church）的实验室开始了“神话”核酸酶技术的开发。
神话降临人间。2011年，人类正式开启了基因编程时代。
