落入凡间的“上帝剪刀”
来源 : 公开网络
作者 : 公开网络
时间 : 2020-11-03


塑库网消息---2020年10月7日,法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷(Emmanuelle Charpentier)和美国结构生物学家珍妮弗·杜德纳(Jennifer A. Doudna)这对女搭档斩获了诺贝尔化学奖。这是在《科学》杂志发表具有里程碑意义的论文仅仅八年后!

已经“119岁”的诺贝尔化学奖,是一部记录了在化学领域取得重大成果的科学家的编年史。
 
自1901年以来,诺贝尔化学奖共颁发了111次,其中只有5名女性。

为什么是她们获奖?

二人的获奖理由为“开发了一种基因组编辑方法”。因为从此,人类改写生命,真的可以像“编程”一样简单。
 
回顾科学史,很少有科学革命像CRISPR这样如此迅速地改变生物学界。

女神级的人物!

埃马纽埃尔·卡彭蒂耶,1968年12月11日生于法国的奥尔日河畔于维西,法国微生物学家,遗传学家和生物化学家。EmmanuelleCharpentier被誉为“基因编辑之母”,已经获得10项久负盛名的科学奖项,目前担任德国马普学会感染生物学研究所所长,过去20年在5个不同的国家、9所不同的大学工作过。

詹妮弗·杜德纳,美国生物学家,加州大学伯克利分校的化学和分子生物学与细胞生物学教授。JenniferA. Doudna还曾在2016年获得世界杰出女科学家成就奖。

2011年,杜德纳开始与沙尔庞捷合作发展 CRISPR 技术。一年后,两位女生物学家在《科学》杂志发表论文并首次指出,CRISPR-Cas9 系统在体外实验中能“定点”对 DNA 进行切割,显著提升了基因编辑的效率,为该领域的发展奠定了基础。两位科学家被《时代》周刊评为 2015 年全球最具影响力100人,并收获了包括生命科学突破奖在内的多项生命科学大奖。

CRISPR-Cas9 基因编辑系统是本世纪最为重要的生物发现之一。2015 年,《科学》将它评为年度突破;助力这项技术诞生的科学家们也先后获得了有“科学界奥斯卡”之称的“突破奖”(Breakthrough Prize),在分子生物学界影响深远的“格鲁伯遗传学奖”(Gruber Genetics Prize),以及表彰重大生物医学突破的“沃伦·阿尔珀特奖”(Warren Alpert Prize)。

在2014年12月的《环球科学》中,《编辑基因:更快、更准、更简单》一文就对这项技术的作用机制、发展历程及前景展开详细介绍。虽然争议尚存,但毫无疑问,这项在2015年被《科学》杂志评为“年度科学突破”的新兴技术,正在开创一个全新的时代。

诺奖官网称,这项技术对生命科学产生了革命性的影响,可以帮助研究者开发新的癌症疗法,并使治愈遗传疾病的梦想成为现实。

“基因剪刀”的来历

CRISPR的全称是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,中文翻译为“规律成簇的间隔短回文重复”。这个词的字面意思就是“代表了同一类特征明显、排列整齐、秩序一致的重复序列”。它作为细菌的适应性免疫系统,当外源病毒或质粒DNA进入细胞时,专门的Cas蛋白会将外源DNA剪成小片段,并将它们粘贴到自身的DNA片段中存储。当再次遇到病毒入侵时,细菌能够根据存储的片段识别病毒,将病毒的DNA切断而使之失效。

科学家利用CRISPR的这一功能,将其改造成为一种革命性的新型分子工具。由于它具有精准的定位和切割任何种类的遗传物质的能力,使得科学家能够更得心应手地破解地球上任何生物(包括人类)的生命密码。

图1:CRISPR发展简史

CRISPR基因编辑系统的故事还要从一座名为圣波拉(Santa Pola)的地中海小城说起。30年前,一位名为Francisco Mojica的年轻人在当地的一所大学开始攻读博士学位,而他的研究对象,就是圣波拉海滩上发现的一种古细菌。

▲CRISPR基因编辑的诞生,离不开Francisco Mojica教授的发现

在分析这种古细菌的DNA序列时,年轻的Mojica观察到了一个有趣的现象——这些微生物的基因组里,存在许多奇怪的“回文”片段。这些片段长30个碱基,而且会不断重复。在两段重复之间,则是长约36个碱基的间隔。对于这种具有规律性的重复,Mojica后来给它起了一个拗口的名字“常间回文重复序列簇集”(Clustered Regularly Inter - Spaced Palindromic Repeats)。它的缩写好记多了,它就是本文的主角CRISPR。

事实上,这并不是人类首次发现CRISPR序列。早在1987年,一支日本团队(石野良纯教授为第一作者)就已发表论文,表明大肠杆菌里也有类似的序列。不少科学家认为,这是人类首次知道CRISPR序列的存在。然而,这支日本团队当时并没有对CRISPR序列进行详细的研究,因此它的功能还不为人所知晓。

Mojica教授推断说,如果两种有着巨大差异的微生物里都有这种奇怪的序列,这就说明它肯定有着某种特殊的功能。在成立了自己的实验室后,他又发现大约另外20多种微生物里,同样具有CRISPR序列。然而,这种奇怪序列的功能,却迟迟未能得到解答。
 
为了寻找CRISPR序列的功能,Mojica教授每天都在数据库里痛苦地搜索,想要发现这些奇怪序列的意义。2003年,大海捞针般的探索,还真的给他找到了一片新天地!Mojica教授发现,一些大肠杆菌内的CRISPR序列,与一种叫做“P1噬菌体”的病毒的序列高度吻合。顾名思义,噬菌体是一种能够“吃掉”细菌的病毒,这一种噬菌体也的确能够攻击大肠杆菌。但有意思的是,Mojica教授所研究的这批大肠杆菌,竟能完全不受P1噬菌体的感染!
Mojica教授立刻意识到,这与人类的免疫系统何其相似!在人体里,免疫系统会记住过去遇到过的病原体的模样。等到病原体入侵时,就会对其发起攻击。而在大肠杆菌细胞内,CRISPR序列也同样能让细菌记住噬菌体的模样,抵抗病毒的感染。
为了这一刻,Mojica教授已经等待了18个月的漫长时光。兴奋的他在2003年向《自然》杂志投去了他的研究结果。很快,《自然》的编辑以“早就知道了”为由,拒绝发表这项研究。不久后,《美国国家科学院院报》(PNAS)也以“缺乏新颖性和重要性”,同样予以拒绝。再之后,Molecular Microbiology与Nucleic Acid Research两本期刊也给Mojica教授发了拒信。万念俱灰之下,他把论文投给了Journal of Molecular Evolution,一本影响因子不到2分的期刊。即便如此,这篇论文还是经过了长达一年的修改和审核,才最终得以发表此时,已是2005年2月。

切开DNA的魔剪

在接下来的几年里,科学家们对CRISPR序列的作用做了进一步的完善,并阐明了它的详细机理。原来在病毒感染细菌后,CRISPR序列会喊来帮手,形成一个具有核酸切割能力的复杂结构,并最终切断病毒的DNA。对于细菌来说,这是从源头清除病毒感染的好方法。
 
但对生物学家来说,这套细菌的“免疫系统”,让他们看到了精准切割DNA的希望!或许,它能被开发成为一种高效的基因编辑方法。2012年,维也纳的Emmanuelle Charpentier教授与加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的Jennifer Doudna教授在《科学》杂志上发表了她们的发现,确认她们所设计的CRISPR-Cas9基因编辑系统(Cas9是一种能切割DNA的内切酶)能在DNA的特定部位“定点”切开口子。在论文中,她们也指出将来有潜力利用这个系统,对基因组进行编辑。

▲Emmanuelle Charpentier教授与Jennifer Doudna教授报道的CRISPR基因编辑系统

这里还有一个小插曲。在立陶宛,一名叫做Virginijus Siksnys的科学家也在研究使用CRISPR系统编辑基因的潜力。虽然他的论文投出的时间更早,但不幸被《细胞》杂志的编辑所拒,只能转投《美国国家科学院院报》。这也使得他的论文最终要晚上2个月上线。

2013年新年伊始,《科学》杂志再度刊登了一篇关于CRISPR系统的重磅文章。这一次,主导这项研究的是Broad研究所的张锋教授。论文里,科学家们首次将CRISPR技术应用到了哺乳动物细胞内,并证明它能在短短几周之内,就建立起小鼠的疾病模型。随后,这支团队也首次在人类细胞中成功使用CRISPR-Cas系统完成了基因编辑。

基因剪刀技术的意义是什么?

为什么8年就拿下诺奖?

我们看到CRISPR基因编辑技术发现史上英雄无数,而杜德纳和夏彭蒂耶发明的CRISPR/Cas9被称为是“基因技术中最锐利的工具之一”,一度震撼了科学界。

Cas9酶就像一对能够切割DNA链的分子剪刀,一旦酶在特定位点切割DNA,就可以进行插入和编辑,从而改变DNA序列。



CRISPR-Cas9技术出现后的短短几年,就对生物、农业、医药业产生了巨大影响,尤其是它正在为新的疾病疗法做出贡献,并可能使治愈遗传疾病的梦想成真。任何一个重要的科学问题或技术的突破,往往都不是一两个人的贡献,包括CRISPR这个领域其实是很多人很多年的持续研究。
 
它最大的意义在于对DNA序列进行非常精准的编辑,用打靶来作比喻,通过它可以“指哪儿打哪儿”。
 
以前的基因组编辑或者基因组工程的广适性不强、技术有一定的难度,很少有实验室能掌握这项技术。有了CRISPR,“旧日王谢堂前燕终于飞入了寻常百姓家了”。



和以前的技术相比,它简单、易学、廉价,大大地降低了入门门槛,更重要的是它的打靶效率也更高,可以同时对多个靶点进行靶向的编辑和修饰。
 
8年就拿奖并不算快,因为这项技术确实太重要了。就像当年获得诺贝尔奖化学奖的聚合酶链式反应(PCR),这种技术一问世,就立刻引起了分子生物学研究的一场革命,不用它就无法扩增DNA。

 
所以表彰她们是因为最核心的概念性工作,现在只要研究基因功能的,基本都要用到CRISPR,它太好用了。早两年拿奖都没问题!

 这把“剪刀”能否商业化呢? 

CRISPR-Cas9 很快成为了投资的热点。2013 年,杜德娜联手丘奇、麻省理工学院的张锋和其他研究人员,共同成立了爱迪塔斯医药公司(Editas Medicine),他们获得了 4 300 万美元的风险投资,用以开发一类新的、基于 CRISPR 的药物。2014 年 4 月,获得 2 500 万美元投资的 CRISPR 医疗公司(CRISPR Therapeutics)在瑞士巴塞尔和英国伦敦成立,他们的目标也是开发基于 CRISPR 的疾病疗法。爱迪塔斯医药公司和 CRISPR 医疗公司都需要多年时间,才能开发出相应的疗法,然而,实验室的供货商们已经在向世界各地的客户销售可以立即用于动物注射的 CRISPR 材料,并开始为客户定制经 CRISPR 改造的小鼠、大鼠和兔子。

2014 年,位于圣路易斯的 SAGE 实验室(SAGE Labs),它是第一批获准使用杜德娜的 CRISPR 技术来改造啮齿类动物的公司之一。在那里,能亲眼见识 CRISPR 是如何起作用的。SAGE 实验室向大约 20 家顶级制药公司,以及众多高校、研究所和基金会供应实验材料。英国剑桥的生物技术公司地平线发现集团(Horizon Discovery Group)早前也已独立涉足 CRISPR 产品的研发;2014 年 9 月,他们又以 4800 万美元收购了 SAGE 实验室。

“基因剪刀”的前景与风险

CRISPR 已经勇猛地踏上了商业化的征途,研究人员和商人都在为这种技术设想新的商业用途,其中的某些想法甚至有些狂妄。运用这种技术,医生或许可以在怀孕早期的妇女体内,改造与唐氏综合征有关的异常染色体;育种人员可以重新向抗性杂草的基因组中引入对除草剂敏感的基因;我们还可以复活已经灭绝的物种。这当然会让有些人感到害怕。比如,最近就有一些警告性的头条报道,将这种技术形容为“扮演上帝的好方法”,或者“瓶中妖”。 

2014 年 7 月 17 日,哈佛大学的团队发表一篇讨论如何用 CRISPR 消灭疟蚊的论文时,他们也指出了基因改造在技术与监管上的窘境。该团队的生物伦理学家让蒂宁· 伦斯霍夫(Jeantine Lunshof)说:“CRISPR 的发展如此迅猛,很多人还没听说过这种技术,但是我们确实正在使用它。这是一种新现象。”

2014 年 8 月,坦普尔大学(Temple University)的病毒学家卡迈勒·哈利利(Kamel Khalili)领导的研究人员报道,他们已经用 CRISPR 在数个人类细胞系中对 HIV 病毒进行了剪切。

上世纪 80 年代起,哈利利一直奋战在对抗 HIV/AIDS 的前线。对他来说,CRISPR 是场不折不扣的革命。尽管艾滋病治疗已经取得了巨大的进步,但今天的药物仅仅能控制病毒,仍然不能根除疾病。不过,运用 CRISPR,哈利利团队已经彻底从细胞中清除了 HIV 的完整 DNA 拷贝,将受感染的细胞转化了成无病毒细胞。并且,除了“清洗”已经感染病毒的细胞,CRISPR 还可以将一段病毒序列整合进未受感染的细胞中,对其进行免疫——正如杜德娜和她的团队在原始的细菌中观察到的那样。你可以将这种手段称作“基因疫苗”。哈利利说:“这是终极的治疗方法,如果你在两年前问我,‘你能精准地切割人类细胞中的 HIV 吗?’我可能会说这非常困难。但现在,我们做到了。”

这二位头戴诺贝尔奖“王冠”的女性,是改变世界的柔软力量。世界需要科学,科学需要女性的参与。

当年,诺贝尔在遗嘱中写道:这个奖项要表彰给“最有着价值的人”。