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利用“基因剪刀”，研究人员可以编辑几乎所有生命体的基因组

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2020年诺贝尔化学奖揭晓：“基因剪刀”编辑方法获奖

北京时间10月7日消息，2020年诺贝尔化学奖授予了Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna，这两位科学家开发了基因技术中最锐利的工具之一：CRISPR/Cas9基因编辑技术。该技术也被称为“基因剪刀”。利用这一技术，研究人员可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。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。

科学的吸引力之一在于其不可预测性——你永远不可能事先知道一个想法或问题会将你引向何处。对于一个充满好奇心的人，有时会遇到死胡同，有时则会遇到一个充满障碍、需要数年才能走完的迷宫。但是，正是通过一次次探索，我们才能看到无限的可能。

CRISPR-Cas9基因编辑技术就是这样一个具有惊人潜力的意外发现。当Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna开始研究链球菌的免疫系统时，她们的一个想法是或许能够开发出一种新的抗生素。然而，最终她们却发现了一种分子工具，可以在遗传物质上进行精确的切割，使修改生命密码成为可能。

影响重大的分子工具

在她们的发现仅仅8年之后，这些“基因剪刀”已经重塑了生命科学。通过这种技术，生物化学家和细胞生物学家现在可以很容易地研究不同基因的功能，以及它们在疾病进展中的可能作用。

在植物育种中，研究人员可以赋予植物特殊的性状，比如在更温暖的气候下抵御干旱的能力。在医学方面，这个基因编辑器正在为新的癌症疗法和最早尝试治愈遗传疾病的研究做出贡献。CRISPR-Cas9的潜力几乎是无穷无尽的，但其中也包括一些不道德的应用。与所有强大的技术一样，这些“基因剪刀”需要加以管理，这方面之后将详细介绍。

2011年，无论是Emmanuelle Charpentier还是Jennifer Doudna，都不知道她们在波多黎各一家咖啡馆的第一次见面会如何改变她们的一生。我们的介绍将从Charpentier开始，她最初提出了合作的建议。

Charpentier对致病菌的兴趣

在有些人眼中，Emmanuelle Charpentier充满激情、认真细心并且十分投入。还有人说，Charpentier总是在寻找意想不到的东西。她自己，则引用路易斯•巴斯德（Louis Pasteur）的话，“机会青睐有准备的人”。对新发现的渴望，以及对自由和独立的向往主导着她的研究道路，包括她在巴黎巴斯德研究所的博士学业。她还曾在5个国家的7个城市生活过，在十个不同的机构工作过。

尽管所处的环境和研究方法都发生了变化，但她的大部分研究都有一个共同点：致病菌。这些微生物为什么如此富有侵略性？它们如何发展出抗生素耐药性？有没有可能找到新的治疗方法来阻止它们？

2002年，当Emmanuelle Charpentier在维也纳大学成立自己的研究小组时，她把重点放在了对人类危害最大的一种细菌：化脓性链球菌（学名：Streptococcus pyogenes）。每一年，这种病菌会感染数百万人，往往导致一些容易治疗的感染症状，如扁桃体炎和脓疱炎。然而，它也会导致危及生命的败血症，并破坏体内的软组织，因此又被称为“噬肉者”。

为了更好地了解化脓性链球菌，Charpentier开始深入研究这种细菌的基因是如何调控的。这一决定是“基因剪刀”发现之路上的第一步，而当我们继续追溯这条道路时，我们会了解更多关于Jennifer Doudna的信息。因为当Charpentier对化脓性链球菌进行仔细研究时，Doudna第一次听到了一个缩写，听起来很像“crisper”。

侦探小说般的科学故事

作为一个在夏威夷长大的孩子，Jennifer Doudna有着强烈的求知欲。一天，她的父亲把詹姆斯·沃森的书《双螺旋》（The Double Helix）放在她的床头。这是一个关于詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克如何解决DNA分子结构的故事，如同侦探小说般有趣，和她在学校教科书里读到的完全不同。她被科学探索的过程所吸引，并意识到科学不仅仅是事实。

然而，当Doudna开始尝试解决科学谜题时，她的注意力并不在DNA上，而是另一种遗传分子：RNA。2006年，她在加州大学伯克利分校领导一个研究小组，已经有20年的RNA研究经验。她是一位成功的研究者，以擅长突破性的研究项目著称。后来，她进入了一个令人兴奋的新领域：RNA干扰（RNA interference）。

多年来，研究人员一直认为他们已经十分了解RNA的基本功能，但突然间，他们发现了许多小的RNA分子在帮助调节细胞中的基因活动。2006年，由于在RNA干扰方面的研究，Jennifer Doudna接到了一位同事的电话。

携带古老免疫系统的细菌

那位微生物学家同事告诉Doudna一项新的发现：研究人员比较了不同细菌和古菌的遗传物质，发现一类保存得非常之好的重复DNA序列。同样的基因片段一遍又一遍地出现，但是在重复的过程中，有一些独特的序列发生了变化（图2），就像同一单词在一本书的每一个独特的句子中被不断重复。

这些重复片段的排列称为“常间回文重复序列丛集”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats），缩写为CRISPR。有趣的是，CRISPR中独特的、非重复的序列似乎与多种病毒的遗传密码相匹配。因此目前的观点认为，这是一个古老免疫系统的一部分，可以保护细菌和古菌免受病毒的伤害。科学家假设，如果一个细菌成功地从病毒感染中存活下来，它就会在其基因组中加入一段病毒的遗传密码，作为感染的“记忆”。

Doudna的同事称，还没有人知道这一切是如何运作的，但据推测，细菌用来中和病毒的机制可能类似于Doudna的研究：RNA干扰。

Doudna描绘的复杂机制

这个消息非常激动人心。如果细菌确实有一个古老的免疫系统，那就意味着极其重大的意义。Jennifer Doudna对这方面的分子生物学产生了兴趣，她开始学习一切有关CRISPR系统的知识。

后来，在CRISPR序列之外，研究人员还发现了一种特殊的基因，他们称之为“CRISPR关联基因”（CRISPR-associated），简称cas。在Doudna看来，很有趣的一点是，这些基因与已知编码专门用于解开和切割DNA的蛋白质的基因非常相似。那么，Cas蛋白质有同样的功能吗？它们能切割病毒DNA吗？

Doudna让她的研究小组开始这方面的工作。几年后，他们成功揭示了多种Cas蛋白质的功能。与此同时，其他大学的一些研究小组也在研究新发现的CRISPR/Cas系统。他们的研究结果显示，细菌的免疫系统可以采取非常不同的形式。Doudna研究的CRISPR/Cas系统属于第一型；这是一种复杂的机制，需要许多不同的Cas蛋白质来解除病毒的武装。第二型系统则非常简单，因为所需要的蛋白质更少。在世界的另一个地方，Emmanuelle Charpentier刚刚发现了这样一个系统。让我们再回到她的故事线上。

CRISPR系统谜题中新的未知部分

2009年，Emmanuelle Charpentier已经离开了维也纳，在瑞典北部的于默奥大学找到了一个职位，并得到了很好的研究机会。有人告诉她，这个地方太过偏远，但漫长、黑暗的冬天使她得到了足够的安宁，可以心无旁骛地从事研究工作。

Charpentier对能够调控基因的小型RNA分子也很感兴趣，她与柏林的研究人员合作，绘制了化脓性链球菌中的小RNA序列。这个结果让她思考了很多，因为这种细菌中大量存在的一个小RNA分子是某种未知的变体，而这种RNA的遗传密码非常接近细菌基因组中特殊的CRISPR序列。

二者之间的相似性使Charpentier怀疑它们之间存在联系。她对二者的遗传密码进行了仔细分析，揭示了未知小RNA分子的一部分与CRISPR重复的部分相匹配。这就如同两块拼图可以完美地拼接在一起（图2）。

Charpentier从未使用过CRISPR，但她的研究小组开始进行一些深入的微生物检测工作，以绘制化脓性链球菌的CRISPR系统。这个系统属于第二型，已知只需要一个Cas蛋白“Cas9”就可以裂解病毒DNA。Charpentier发现，被称为“反向活化crispr RNA”（tracrRNA）的未知RNA分子也具有决定性的作用；由基因组中的CRISPR序列生成的长RNA转变为活性形式时（见图），必须要用到tracrRNA。

链球菌对抗病毒的自然免疫系统：CRISPR/Cas9

当病毒感染细菌时，它们会将有害的DNA送入其中。如果细菌在感染中幸存下来，它就会在基因组中插入一段病毒DNA，这就像对病毒的记忆一样。然后这些DNA会被用来保护细菌免受新的感染。

1、细菌将一段病毒DNA插入基因组的CRISPR部分，每个病毒DNA之间都有一段重复序列；

2、CRISPR经过复制，生成一个长RNA分子；

3、“反向活化crispr RNA”（tracrRNA）与CRISPR RNA的重复部分相匹配，就像两块完美拼接的拼图。当tracrRNA与CRISPR RNA连接时，蛋白Cas9也与整个复合体连接。之后，这个长的分子就被一种名为“Ⅲ型RNA酶”的蛋白质剪切成小段；

4、基因剪刀包含来自单个病毒的遗传密码。如果细菌被相同的病毒再次感染，基因剪刀会立即识别病毒，并通过对其进行剪切来解除它的武装。

2011年3月，Emmanuelle Charpentier发表了有关tracrRNA的发现。她知道自己正在做一件非常令人兴奋的事情。她在微生物学方面有多年的经验，而在对CRISPR-Cas9系统的持续研究中，她也希望与一位生物化学家合作。Jennifer Doudna是很自然的选择。因此那年春天，当Charpentier被邀请去波多黎各参加一个会议来讲述她的发现时，她的目标之一，便是去会见这位加州大学伯克利分校的研究者。

波多黎各咖啡馆里改变一生的会面

巧的是，会议第二天，她们在一家咖啡馆里又碰面了。Doudna的同事介绍了两人互相认识。次日，Charpentier提议，一起去探索一下首都这座城市的老城区。在沿着鹅卵石铺就的街道漫步时，她们开始交流自己的研究。Charpentier想知道，Doudna对合作有没有兴趣——愿不愿参与研究化脓性链球菌的简单第二型系统中的Cas9功能？

Jennifer Doudna对此十分感兴趣，然后他们和自己的同事们通过数字会议为项目制定了计划。他们猜测，识别病毒的DNA时需要CRISPR-RNA，而Cas9则是剪切DNA分子的那把剪刀。但是，当他们在试管内进行测试时，却什么也没有发生。

DNA分子依旧保持完整。为什么呢？是实验条件有问题吗？还是Cas9的功能完全不一样？经过大量头脑风暴和无数次失败的实验后，研究人员终于在他们的测试中加入了tracrRNA。之前，他们认为，只有在将CRISPR RNA切断成活性形式时才会需要tracrRNA（图2）。但是，Cas9一旦接触到tracrRNA，众人期待的结果发生了：DNA分子被剪切成两部分。

进化解决方案经常使研究人员感到惊讶，但这一次更非同寻常。链球菌早已形成的用来抵御病毒的武器是如此简单有效，甚至十分出色。基因剪刀的历史或许可能就止于此；但Charpentier和Doudna在一种给人类带来巨大困扰的细菌中发现了一种基本机制。这一发现本身令人惊讶，然而机会总是偏爱有准备的人。

划时代的实验

研究人员决定试图简化基因剪刀。基于他们对tracrRNA和CRISPR-RNA所掌握的新知识，他们找到了将两者合成一个分子的方法，并把这个分子称为“引导RNA”（guide RNA）。借助这个简化的基因剪刀变体，他们随后做了一个划时代的实验：他们想弄清楚，他们是否可以控制这个基因工具以便在研究人员自己指定的位置剪切DNA。

等到这个时候，研究人员知道，他们即将解锁一项重大突破。他们从Doudna的实验室冷库中取出一个基因，并选择了五个不同的需要剪切的位置。然后，他们更改了基因剪刀的CRISPR部分，以使其编码匹配需要剪切的位置（图3）。实验的结果令人兴奋。DNA分子在准确的位置上被精确剪切。

CRISPR/Cas9基因剪刀

当研究人员打算使用基因剪刀编辑基因组时，他们首先人工构建一个引导RNA，该引导RAN与需要剪切的DNA编码相匹配。剪刀的蛋白质Cas9与引导RNA形成复合物，然后将剪刀带到基因组中需要进行剪切的位置。

A：研究人员可以让细胞自身去修复DNA中的切口。在大多数情况下，这会导致基因的功能关闭。

B：如果研究人员想要插入、修复或编辑一个基因，他们可以为此专门设计一个小的DNA模板。细胞在修复基因组中的切口时，会使用该模板，从而改变基因组中的编码。

基因剪刀改变生命科学

2012年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna发布她们的CRISPR/Cas9基因剪刀发现后不久，数个研究小组便证明，该工具可用于修饰小鼠和人类细胞中的基因组，从而促进了爆炸性发展。之前，改变细胞、植物或微生物中的基因非常耗时，有时甚至是不可能的。使用了基因剪刀后，研究人员原则上可以任意剪切基因组。此后，他们可以非常容易地利用细胞自身的DNA修复系统，来重写生命编码（图3）。

由于这种基因工具非常容易使用，因此它在基础研究中得到了广泛了应用。它可以用于改变细胞和实验动物的DNA，以了解不同基因的功能和相互作用（比如在疾病的发展过程中）。

基因剪刀如今也成为植物育种的一个标准工具。研究人员以前用来修饰植物基因组的方法通常需要添加抗生素抗性基因。种植农作物时，这种抗生素抗性可能会扩散至周围的微生物。但有了基因剪刀之后，研究人员再也无需使用先前的方法，现在他们可以精准地更改基因组。他们编辑了控制水稻吸收土壤中重金属的基因，从而改良水稻品种，降低镉和砷的含量。研究人员还开发出能够在温暖的气候下更好地抵御干旱、抵抗昆虫害虫的作物。原本，这些昆虫害虫只能用农药来处理。

治愈遗传疾病的希望

在医学上，基因剪刀也为癌症的新免疫疗法带来希望，正在进行中的试验或可使治愈遗传疾病的梦想成真。研究人员已经在进行临床试验，以研究他们是否可以使用CRISPR/Cas9来治疗镰状细胞性贫血和乙型地中海型贫血等血液疾病以及遗传性眼疾。

研究人员还在开发修复大脑和肌肉等大型器官中基因的方法。动物试验表明，经过特殊设计的病毒可以将基因剪刀送到所需的细胞内，从而治疗致命性遗传疾病（如肌肉营养不良、脊髓性肌肉萎缩和亨丁顿舞蹈症）。但是，该技术在应用到人类身上之前仍需进一步改善。

基因剪刀的力量需要监管

在这种种好处之外，基因剪刀也有可能被滥用。比如，基因剪刀可被用来创造经过基因修饰的胚胎。但是，多年来，基因工程的应用一直在法律和法规的监管之下，包括禁止修饰可遗传的人类基因。另外，对于涉及人类和动物的实验，实验进行之前须先经过伦理委员会的审查并获得批准。

可以肯定的是：基因剪刀会影响到我们每一个人。我们将面临新的道德问题，但是这种新工具也有望解决人类目前面临的诸多挑战。通过她们的发现，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna带来了一种让生命科学走向新时代的化学工具。她们让我们得以远眺未来的无限可能，并且在探索这一片新大陆的过程中，我们一定还会有更多意外的发现。