合成生物学快讯2020年8月：基因驱动：寻求机遇，实现风险最小化

来源：上海市生物工程学会

本文由中国科学院上海营养与健康研究所 战略情报团队供稿

编者按

未来，人们有可能利用新兴生物技术，通过少量且持续性投入实现对整个生态系统的调控，例如，基因驱动（gene drives）。2020年5月，美国约翰霍普金斯大学卫生安全中心（Johns Hopkins Center for Health Security）发布报告《基因驱动：寻求机遇，实现风险最小化》（Gene Drives: Pursuing Opportunities, Minimizing Risk）。报告旨在面向制定和实施基因驱动政策的管理者，分析当前基因驱动技术的现状、相关应用、安全风险、管理政策等，并从7个方面提出了相关建议。

  概 述  

基因驱动（gene drives）作为一种生物技术，可以在释放到野外后，无需人为干预下控制几乎所有的群体遗传。虽然目前还处于研发阶段，基因驱动已经具有许多潜在的益处，包括控制入侵物种、减少疟疾负担及其他疾病的媒介传播风险。不过，因存在潜在风险，相关研究和开发也引起了重大争议。这些风险包括：基因驱动传播引发的意外生态后果可能不受控，甚至直接或间接影响目标物种或其他物种。例如，蚊子种群数量的变化可能对以蚊子为食物来源的物种造成意想不到的后果，甚至在消灭一种疾病后增加其他疾病的发病率。因此，正在进行基因驱动研发的国家应该具有响应的管理和监督框架，但目前大多数国家并没有。除了“目标疟疾（Target Malaria）”（旨在利用基因驱动技术通过高度合作来消灭疟疾），国际上还没有对基因驱动研究或部署的方法或协调工作。

基因驱动是一种允许基因通过种群传播的工具，不需要考虑宿主的健康成本。有的个体可能比种群中其他个体的健康水平高一些或低一些；相对健康的个体其存活和繁殖几率更大，因此它们能够将更多遗传物质传递给下一代。另外，基因驱动是可以用于改造野生种群的遗传工具。“基因驱动”一词并不指向任何特定的技术或遗传机制，这是一个功能性术语，其定义特性是它提高了自身的遗传率。因此，基因驱动是一种自私的遗传因素。

具有自我传播能力的人造生物制剂已经引发了道德、安全和保障方面的担忧。需要特定的治理方式，制定政策，建立规范和法规，管理基因驱动带来的潜在风险。该领域的科学家已经为负责任的基因驱动研究制定了重要的遏制措施和安全指南，但是国家和国际水平的基因驱动监管仍存在差距。而且，基因驱动的技术特征及其实施机制使得调控基因驱动的工作更复杂，包括向目标位置以外区域传播的能力，精确模拟其效果和动态的固有难度等。

基因驱动不同于其他基因工程生物，因为它们的设计使其以超过孟德尔的速率来传播其携带的任何基因。尽管经常讨论基于CRISPR的基因驱动，但它们并不是唯一的基因驱动系统类型（表1）。其他类型的驱动，例如，利用产毒素的基因来抑制种群数量或通过性别偏好系统来降低能够繁殖的个体数量。

主要发现 

（1）基因驱动的计算模型具有局限性。

计算机模型对基因驱动的传播、行为有效性和动态性的预测有内在局限性。这种局限性是由许多因素造成的，例如需要简化假设，使问题在计算上易于处理，宿主存在局部的非随机交配，完全描述预测基因驱动行为所需的相关数据不够现实等。因此，需要在模式生物，例如，线虫或酵母的基因驱动研发，使其生长到足够的数量和世代，从而试验性验证计算机模型。尽管这些模型具有局限性，它们依然是有助于设计基因驱动且降低释放后风险的工具。通过改进模型参数，帮助研究人员设计更合适的基因驱动，加深对种群动态及多样性、宿主机体行为及生物学、种群范围的认识等，将有助于降低非预期后果的风险。

（2）每个新的潜在基因驱动应用都有不同的风险评估。

根据基因驱动类型、所需基因在种群中的改造情况、基因驱动的目标、基因驱动释放的目标环境，以及不同的宿主机体等，基因驱动具有不同的风险。风险虽然评估无法提供最佳答案，但有助于阐明基因驱动对环境、人类或动物的潜在危害，可以帮助研究人员和相关机构制定更专注、更周到的策略，从而减少非预期有害后果的几率。

基因驱动相关的不确定性有很多，因为该技术具有很多可能的变化和应用。然而，这种不确定性并非不可恢复：可以在某种程度上对潜在后果进行分类、评估和解决。风险评估中的每个步骤都有助于降低不确定性。风险评估方式也有助于建立保护机制以降低基因驱动风险，例如，构建具有代表性的场景、基因驱动应用的潜在后果，或对特定基因驱动的相关特征进行识别和分类。特别是，确认最令人关注的问题、这些后果的技术可能性，以及避免其发生所必需的资源和培训，将有助于科学家和政策制定者将注意力和资源集中在有效的干预措施上。

值得注意的是，应该考虑如何开发与其相对应的反向驱动。反向驱动是在已经被特定目标基因驱动修饰过的种群中传播的另一种基因驱动，能够重写或逆转第一个驱动，从而使有机体遗传情况恢复到原始状态。虽然反向驱动与初始驱动相比是一种独立的驱动，但它们应并行开发且作为产品的两部分一起评估。

（3）同一区域基因驱动的释放缺乏统一协调，这可能会带来风险。

目前，新型基因驱动开发团队之间缺乏协调。由于基因驱动行为释放之后的不确定性，解决同时释放的两个或多个基因驱动之间的潜在交叉或在同一种群中新释放的驱动与原释放驱动间的交叉，具有重要意义。目前尚不清楚改造相同物种的不同基因驱动是如何在体内相互作用的。尽管两个团队不太可能使用同类型的基因驱动、靶向相同物种中的相同序列，但一个驱动的效果可能对另一个驱动的设计目标造成不利影响。例如，一项旨在增强目标蚊子种群对疟疾感染抵抗力的改造计划，如果与另一个旨在迅速降低繁殖数量的抑制性驱动同时使用，则会造成浪费。

（4）基因驱动部署前，利益相关方的参与至关重要，必须在开发的各个阶段，针对其应用的效益和风险进行沟通。

人们普遍认为基因驱动研究必须在整个基因驱动开发过程中整合利益相关方的反馈，但是依然存在最佳实施方法的问题。Target Malaria是最突出的基因驱动计划，其持续的交流和教育工作、满足道德标准的工作，以及利益相关方参与的区域和方法方面都值得借鉴。总的来说，利益相关方的参与应该在未来基因驱动技术的发展中发挥重要作用。

（5）在国家和国际水平的现行立法中很少明确提到基因驱动。

尽管一些国家在立法中明确提到了转基因生物，但很少有国家提到“基因驱动”。基因驱动是一种相对较新的技术，在某些情况下，可能属于“转基因生物”的法律术语范畴，但基因驱动技术缺乏明确、特定的语言，这是国家和国际水平立法的一大空白。正因如此，人们常常不清楚基因驱动工作适用于哪项立法，由哪个政府机构负责监管。本报告的案例研究发现，只有三个立法机构具有特定的基因驱动研究表述：欧盟、巴西和乌干达。欧盟的一次法庭决定中，明确声明基因驱动改造的有机体将属于转基因生物范畴，因此必须符合所有相关的转基因生物法规。巴西2018年制定了一项决议，明确了获得基因驱动研究认可的流程，通过清晰地告知研究者获得指定监管机构CTNBios（国家委员会）的批准所需承担的职责，即使基因驱动技术在法律上尚未被明确为转基因生物。乌干达的基因工程监管法案对基因驱动技术进行了清晰的表述，包括在研究中如何维持安全性的细节，明确了基因驱动技术负面影响责任相关的内容；立法中明确的基因驱动相关表述有助于给出明确的风险管理流程。

（6）基因驱动是一种入侵物种。

关于基因驱动一个经常被提到的问题是，一旦基因驱动被释放，可能难以甚至不可能被召回。此外，当相互作用的生态系统比设计的规模更大时，很难建模或预测该驱动将如何发挥作用。这种不确定性在生物制剂的释放中也不是没有先例，既有蓄意的，也有意外的；它与入侵物种类似，都能够迅速超越本土的竞争者，并且一旦释放将无法召回。此外，从生物学角度看，基因驱动实际上是一种入侵物种；它是一种在其生存环境中入侵生态位的基因组寄生虫。在这种情况下，宿主有机体基因组就相当于那个生态位。因此，在具有全面入侵物种立法的国家，这些法规或许可以更新并整合，将基因驱动纳入其中。

（7）目前还没有针对基因驱动的非基因驱动对策。

以目前的生物技术能力，对付基因驱动的唯一可行对策可能是另一种基因驱动。但反向驱动除了有可能改变初始基因驱动的影响，也会带来其独有的负面影响。有研究人员指出，尽管无法召回基因驱动，如果在释放之后立即采取措施，有可能停止基因驱动。例如，在大型河流系统中，如果立即收集所有初始基因驱动鱼类并检测释放后短期内出生的鱼类，从而证实它们是否携带基因驱动，有望停止释放的基因驱动。但这将是一项昂贵且劳动密集型的工作，需要对几乎所有鱼类的基因组进行测序，保证所有携带基因驱动的个体已从种群中移走。这种方法成功实施的可能性不高，很难将其作为一项有效的对策。

（8）《生物和毒素武器公约》应禁止有害的基因驱动。

生物武器公约（BWC）的禁令不仅限于有机体或毒素，还包括“制剂”。基因驱动也可以看作是一种生物制剂，携带基因驱动的宿主有机体也可以被认为是生物制剂。任何被创造出来的，“不用于预防、保护或其他和平理由”的基因驱动被认为隶属于BWC范畴。此外，由于基因驱动实际上是一种通过种群引入基因的机制，包括潜在的有害基因，也属于联合国安全理事会（UNSC）第1540号决议的范畴。因此，蓄意将有害基因引入种群的基因驱动应该被BWC禁止。

（9）有可能把有害的基因驱动归因于特定的实验室。

基因驱动可能被恶意行为者用来造成伤害，通过不负责任或匿名行为者释放或由合法的研究人员意外释放。任何一种情况下，归因都是确定谁应该对所造成损害负责。目前从事基因驱动研究的科学家相对较少，在释放的情况下，具有基因驱动的有机体可以被测序，并且可以与已发表文献中的序列进行比较。由于当前领域规模较小，归因还是一个相对简单的任务。然而，随着领域的扩展、技术愈发可及，归因将变得越来越困难。

相关建议 

由于基因驱动具有跨国界传播的能力，国际社会应认识到他们对基因驱动治理和监管的共同责任。报告提出的建议是面向各国政府和国际机构。

（1）各国政府应要求处于前沿发展水平的基因驱动在部署前进行个体化风险/收益评估。对一个基因驱动特定风险和效益的认识，不一定适用于其他基因驱动。

由于基因驱动技术、宿主物种、潜在应用案例以及释放环境之间的显著差异，每一个可释放的基因驱动都是独一无二的。因此，应根据逐案分析的基础，将每个基因驱动作为一种产品，而不是将基因驱动作为一项技术进行全面评估。虽然科研人员及其机构的审查委员会（IRB）已经在开展相关的风险评估，但考虑到基因驱动在环境中传播的可能性，还应该在实地释放前接受国家水平的审查和风险评估。这种风险评估应考虑以下因素：

基因驱动的基因组成分，包括驱动成分和靶标基因；

 根据计算模型和实验数据确定基因驱动在目标种群中的预期动力学；

宿主物种在基因驱动基因组位点的遗传多样性；

 潜在的脱靶效应；

宿主物种和相关物种之间的杂交潜能；

主要和次要生态影响，包括食物网分析；

反向基因驱动或其他缓解策略的有效性。

在评估基因驱动的同时，对靶标基因的评估应与对任何其他转基因生物的基因评估一样严格。评估应该考虑基因驱动的潜在收益，并确定是否可以通过非基因驱动的转基因生物或其他干预达到相同的结果。应确定达到预期结果的可能性、失效的潜在后果，以及识别可减轻潜在后果的程度。这些评估应通过实验数据、专家意见和计算模型。同时，风险评估中应该确认并说明计算机模型的局限性。

通过成本效益分析，在人工养殖物种中释放基因驱动的可能性更小。在人工养殖物种中，存在与基因驱动相比，不太复杂、不太容易造成传播失控或脱靶效应的其他遗传修饰方法。对农业基因驱动的担忧也导致反对相关研究和开发，因此采取降低这些应用可能性的政策或将有助于减轻这些担忧。与在其他物种中的应用相比，基因驱动在人工养殖物种中的应用具有更低的收益和更高的风险，建议采用独特的监管方法适当地权衡其中的风险和收益。

（2）应建立一种国际分级注册制度。这种分级将有助于透明地评估，进行不同基因驱动工作的协调以及利益相关方的沟通，也将有助于确保适当的监管。

考虑到潜在的不确定或对环境的有害影响，应该建立基因驱动的国际注册处。所有正在进行基因驱动研究或部署的国家都应参与进来。这将提供国际透明度并深化该领域相关的认知，减少多种基因驱动被无意释放到同一生态系统的可能性。这种注册处可以由非政府组织或国际组织负责管理，就像世界卫生组织（WHO）正在创建胚胎编辑注册处那样。各国政府应拥有一个类似的注册处，包括国家范围内所有的基因驱动研究和计划。报告建议创建分级系统，用于在研究人员对其成果申请专利或发表之前，保护其知识产权，同时也在基因驱动被释放之前进行监管并向公众提供必要信息。

0级——无需注册：完全由计算机模拟组成的研究、涉及独立测试、能够最终整合为功能型遗传驱动，例如CRISPR-Cas9的遗传组分开发等。

1级——学术、工业或组织研究阶段：所有在实验室里创造任何基因驱动的研究人员都必须将其工作进行注册，包括秀丽隐杆线虫和其他模式生物中的驱动。研究人员需要确定团队及其组织中的所有个人、所涉及的生物安全员和生物反应器、驱动的宿主物种、创造的驱动类型以及采用的遏制机制。特定的基因序列或其他专有信息不需要在此级中报告。

2级——实地试验阶段：在批准一项基因驱动的实地释放前，研究人员必须提供第1级中的所有信息并进行适当更新，证明他们已经与测试地点周围的社区进行了联系，提供预测未来该驱动传播的建模工作，显示已经就位的所有生物安全和遏制系统，并提供关于基因驱动目标结果的详细报告。在这个阶段，国家相关机构应进行独立的风险评估。

3级——即将释放阶段：在任何基因驱动释放到环境之前，责任方需要提供第1级和第2级中的所有信息，驱动的特定基因序列以及证明国家已批准该释放的签署文件，负责方需要证明已经创建并成功测试了反向驱动。与2级一样，这个阶段需要提交证据，证明国家当局已经进行了此项基因驱动的风险评估。

（3）政府不应全面暂停基因驱动研究。具有价值的潜在基因驱动应用（例如虫媒控制、入侵物种控制）值得研究，同时应具有适当的生物安全、风险评估过程以及监管控制。

有人呼吁暂停基因驱动的研究和开发。许多支持暂停的人担心植物中基因驱动可能会带来灾难性后果，导致世界粮食安全岌岌可危。尽管世界粮食安全至关重要，但是不可能威胁某种粮食的全球供应。此外，基因驱动提供了可能提高人类健康，甚至改善食物供应的潜在机会，例如减少媒介传播疾病的发生率或控制威胁粮食供应的入侵物种。

尽管全面暂停或禁止所有基因驱动研究和部署是不合适的，特定宿主中特定类型的基因驱动可能应该受到限制或禁止。例如，应该限制易受到基因驱动影响的特定作物种类的研究，也许将其限制于经确认具有最高生物安全防控级别的政府实验室。

（4）各国政府应为基因驱动的使用制定专门法规，特别注意受人类影响的物种的管理和保护。

与大多数局限于人工培养领域的转基因生物不同，基因驱动有机体具有跨国界传播的潜能，使得制定基因驱动研究相关监管和沟通的国际协议具有高优先级。政府应该在部署之前制定针对这项技术的监管方式，而不是在驱动基因释放后才开始尝试管理新出现的问题。各国政府应通过立法明确阐述基因驱动，立法需要指定国内负责基因驱动监管的唯一国家机构；在任何基因驱动释放到环境中或实地释放之前，进行独立的风险评估；要求参与国家分级注册；开发针对初始驱动的反向驱动；在释放到环境之后，建立基因驱动的定期监测机制。考虑到跨国界传播潜能，尽管国家政府已经开始独立解决这些问题，有必要进行国际合作并开发协调部署的机制。国家之间基因驱动相关立法存在差异，特别是具有共同边界的国家，这可能会造成争议，尤其是基因驱动传播到对基因驱动管理更严格的国家，或者对这种传播应对能力较低的国家。因此，需要在国际水平协调各个国家，例如，通过出口控制、专利法和入侵物种管理条例等管理控制基因驱动。

各国政府应确保在法规中考虑和保护受人类影响的物种。人类影响物种是食物的重要来源，同时也填补了重要的生态位。这些物种对人类利益以及生态系统维护都具有重要意义，需保护这些物种免受无关和潜在有害基因驱动的影响。许多这样的物种能够在相对较短的世代时间中进行有性繁殖，它可能更容易受基因驱动的干预，例如，通过基因驱动帮助它们免受气候变化、入侵物种或其他威胁等。

（5）政府应该要求，在反向驱动开发、测试并做好释放准备以满足紧急应对需求之前，不能使用基因驱动。在批准释放之前，应该要求针对基因驱动对环境影响的监测系统就位。

大多数情况下，唯一有效的基因驱动对策是另一种基因驱动，因此反向驱动或免疫驱动应该与初始驱动同步设计和创建。基因驱动的调控效应应该将反向措施视为基因驱动整体应用的组成部分，而不需要作为单独的产品进行批准。在基因驱动释放前，应明确需要释放反向驱动的情况以及相关负责人。

需要监测引入基因驱动的种群，用于评估基因驱动是否按照预期发挥作用。这种监测应该包括对目标群体进行抽样的基因组测序。此外，还应系统地监测该地区的其他相关物种，从而确保驱动没有转移到这些物种中，并定期进行生态评估驱动对环境及其生态的影响。

（6）政府应该要求基因驱动研究人员采用内在和外在遏制措施进行驱动技术设计，从而缓解在意外释放或实验室逃逸情况下的传播风险。

基因驱动研究的关键问题之一是基因驱动意外释放到环境中，出于这些担心，发布了一系列安全措施来鼓励基因驱动相关的负责任研究，包括物理保障、地理限制以及遗传控制机制。物理保障包括实验室基础设施、生物遏制策略，设计用于降低测试有机体从实验室逃逸到环境中可能性的流程。这些策略类似于其他从事动物或病原体研究的实验室所具有的物理遏制措施。地理遏制是指将实验室工作转移到有机体范围之外的领域，例如没有天然动物或植物种群的地方。通过这样的方式，即使是有机体从实验室逃逸出去，也不会遇到能够交配并以此传播驱动的天然种群。但这种遏制的局限性是动物是可以穿越地理区域活动的。除此之外，基因控制机制是基因驱动系统内置的元件，用于在有机体从实验室逃逸之后，抑制驱动基因发挥功能。例如，在基因驱动系统中设置开关关闭系统。但是，这些系统可能会随着驱动系统应对选择压力的进化而失效。致力于基因驱动的科学家推荐，在开发基因驱动前，至少应采用两种方式来预防其泄露到环境中。

（7）基因驱动部署之前，政府应进行研究人员、当地及国际利益相关方的协调。

即使一个国家批准了某项基因驱动的释放，邻近国家可能还没有制定适当评估或应对基因驱动的立法，或他们可能全面禁止基因驱动技术。根据卡塔赫纳议定书，签署国应该履行某些责任，来进行适当的风险评估，并就潜在的跨境转移征求相邻国家的特定批准，无论现代生物技术制造的改造有机体是有意或无意释放的。目前，171个签署国遵守这些国际协定。

政府应该要求研究人员、利益相关方和非政府组织之间的进行协调和沟通。致力于基因驱动工作的团体及人道主义部门应该进行协调以确保其工作对彼此无害，并实现各自干预的影响及安全最大化。基因驱动技术的范围根据其特定应用存在很大差异。在新型基因驱动应用的概念化阶段，科学界应该进行对话，讨论伦理方面的考量，制定方法路线图来实现目标区域利益相关方的有意义的参与，包括区域团体、当地社区组织以及政府机构，将其纳入利益相关者网络，以便准确地代表社区利益。

刘晓 编译自

Johns Hopkins Center for Health Security