2020年诺贝尔化学奖授予CRISPR/Cas9基因编辑


10月7日,2020年诺贝尔化学奖揭晓:诺贝尔基金会宣布,近年来火热的CRISPR基因编辑系统斩获本年度的诺贝尔化学奖,在这一领域做出卓越贡献的Emmanuelle Charpentier教授和Jennifer Doudna教授摘得桂冠。她们们开发了基因技术中最锐利的工具之一:CRISPR/Cas9”基因剪刀”。利用这些技术,研究人员可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。这一革命性的发现为整个生物技术领域提供了无限可能,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。 “这种遗传工具蕴含巨大的力量,可以影响我们所有人。它不仅使基础科学发生革命性变化,也带来了创新作物,并有望实现开创性的全新医疗方法,”诺贝尔化学委员会主席Claes Gustafsson说。研究人员想要深入了解生命的运作原理,就便需要修改生物基因。修改基因在以前十分困难,而且耗费大量的时间和经费,但是在CRISPR/Cas9基因剪刀技术发明之后,研究人员现在可以方便的在几周内更改基因编码。


CRISPR基因编辑技术的故事要从一座名为圣波拉(Santa Pola)的地中海小城说起。30年前,当地大学一位名为Francisco Mojica的博士生在分析圣波拉海滩上发现的一种古细菌的DNA序列时观察到了一个有趣的现象:这些古细菌的基因组存在许多奇怪的重复片段。这些重复的基因片段长30个碱基并且在两段重复之间存在长约36个碱基的间隔。Mojica当时给这中重复的基因起了一个拗口但是意义非凡的名字“常间回文重复序列簇集”(Clustered Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeats, CRISPR)。事实上,这并不是人类首次发现CRISPR序列。不少科学家认为,人类首次报道CRISPR序列来自于1987年石野良纯教授团队的报道。虽然这支日本团队当时并没有对CRISPR序列进行详细的研究,他们在论文中指出大肠杆菌里有类似的重复序列。

后来,Mojica又在另外20多种微生物里发现了同样的CRISPR序列。因此,他认为有着巨大差异的微生物里都有这种奇怪的重复序列,说明它存在着某种不为人知的功能。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,但是这种奇怪序列的功能迟迟未能得到解答。

奇迹总会眷顾有准备的人。2003年,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。更有意思的是,Mojica教授研究的这批大肠杆菌竟能抵御P1噬菌体的感染!他立刻意识到,这可能是大肠杆菌的免疫系统!在人体里,免疫系统会记住过去遇到过的病原体,当病原体再次入侵时,就可以免疫其攻击及时消灭病原体。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特征,从而抵御病毒感染。

兴奋的他在2003年向《nature》杂志投去了他的研究结果,但是被《自然》的编辑以“早就知道了”为由拒搞。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,他把论文投给了影响因子不足2的Journal of Molecular Evolution。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。

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。博德研究所的华裔教授张锋将CRISPR技术首次应用到了哺乳动物细胞内,并证明它能在短短几周之内建立起小鼠的疾病模型。随后,这支团队使用CRISPR-Cas成功的在人类细胞中完成了基因编辑。


自CRISPR-Cas9基因编辑技术诞生以来,科学家们对其进行了大量的优化与改造。一方面,现在的CRISPR基因编辑技术可以变得更精准,减少脱靶效应(指修改非目标基因);另一方面,CRISPR也可以对RNA进行有效编辑。此外,科学家们已经开发出了基于CRISPR体系的“单碱基”基因编辑系统对基因进行“微调”,有效避免初代的CRISPR技术涉及DNA双链的断裂带来的潜在风险。 自从Charpentier和Doudna发现CRISPR/Cas9基因剪刀以来,这项工具已被大幅使用。基础研究中的许多重要发现离不开CRISPR/Cas9基因剪刀的贡献,植物研究人员也利用这一工具得以开发出能够抵抗霉菌、病虫害和干旱的农作物。在医学上,新的癌症疗法的临床试验正在进行中,治愈遗传疾病的梦想即将实现。这些遗传剪刀将生命科学代入一个崭新的时代,并且在许多方面极大地造福人类。