理综奖名不虚传，基因编辑为什么能拿诺贝尔化学奖？

2020-10-07 19:37 来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Kai，羽华 世界顶尖科学家论坛 

两位女科学家——埃玛纽埃勒·沙尔庞捷（Emmanuelle Marie Charpentier）和珍妮弗·道德纳（ Jennifer Doudna）成为了2020年诺贝尔化学奖的赢家。

美国生物化学家珍妮弗·道德纳（Jennifer A. Doudna）（左）和法国微生物学家埃玛纽埃勒·沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier）（右）在2016年的合影。图｜CNN

她们是诺贝尔化学史上第一对同时获得诺奖的女性，也是诺贝尔化学奖史上第六位和第七位女性得主。
在许多吃瓜群众眼里，基因编辑获得化学奖而不是生理学或医学奖，更坐实了诺贝尔化学奖“理综奖”的身份；不过专业人士介绍，基因的本质就是化学，基因编辑拿化学奖实至名归。

01女性科学家闪耀诺贝尔

年轻的一组女性科学家继续照亮了诺贝尔奖的颁布台，一如2019年诺贝尔物理学奖得主迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）所料。奎洛兹昨晚在与世界顶尖科学家论坛（WLF）的专访中，提到希望诺贝尔奖能够多留意女性科学家，也希望更多的年轻科学家可以闪耀诺贝尔奖。
埃玛纽埃勒·沙尔庞捷和珍妮弗·道德纳因开发CRISPR/Cas9基因剪刀而获奖，CRISPR/Cas9基因剪刀是基因技术最锋利的工具之一。
 

CRISPR介导的免疫的步骤。CRISPRs是细菌基因组中有助于抵御入侵病毒的区域。图｜Harvard University
瑞典皇家科学院在公告中做出了这样的评价：“这项技术对生命科学产生了革命性的影响，正在为新的癌症疗法做出贡献，并可能使治愈遗传性疾病的梦想成真。”
并且CRISPR基因编辑技术可以在抗击新冠疫情中，助力药物分子的寻找和新冠疫苗的开发。

诺贝尔化学奖颁布直播截图。图｜nobelprize.org
瑞典皇家科学院院士佩尔尼拉·维通斯塔夫斯戴德（Pernilla Wittung Stafshede）是这样评价她们的基因技术的：“这项技术能够让你在任何希望的地方切割DNA，这给生命科学带来了革命性的影响。” 
在过去，研究人员想要修改细胞中的基因，基本上属于天方夜谭。而现在用上由两位新晋诺贝尔化学奖得主的CRISPR/Cas9基因剪刀，几个月内就可以成功改变生命的密码。

02 基因的本质是化学

在许多吃瓜群众眼中，基因编辑更接近生理学或医学领域，而不是化学。对此，华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰，向WLF分析了为什么基因编辑能够拿化学奖。

2020年诺贝尔化学奖由埃玛纽埃勒·沙尔庞捷（左）和珍妮弗·道德纳（ 右）均分获得。图｜nobelprize.org

    “基因的本质就是化学，因为基因是DNA上的一个片段，本质上嘌呤嘧啶的杂环、脱氧核糖还有磷酸的规律组合形成的价键和动态的相互作用，来实现的连接、复制、表达，它的本质是归于化学的。”姜雪峰介绍说。
       在诺贝尔化学奖揭晓前，姜雪峰就预测CRISPR基因编辑会获奖：“目前化学两个最重要的突破，一个是材料领域，另一个就是在生命领域。去年的化学奖颁给了锂电池的发现者，所以我估计今年不会连续给材料，应该给生命化学。尤其在今年的疫情之下，在生命化学领域，对包括病毒、癌症这些疾病的治疗，我认为最具潜力、最耀眼的就属CRISPR技术，所以我预测今年的诺贝尔化学奖可能给它。”

实至名归！CRISPR基因编辑系统为生物技术领域提供无限可能

来源：药明康德

北京时间今天下午，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。正如人们所说的那样，这一革命性的发现为整个生物技术领域提供了无限可能。

▲今年的诺贝尔化学奖得主（图片来源：参考资料[1]）

地中海边的神奇发现

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（图片来源：BBVA Foundation）

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）。不过它的缩写好记多了，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。

▲1987年的这篇论文，可能是人类首次知道CRISPR序列的存在（图片来源：参考资料[3]）

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。

微生物的“免疫系统”

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。

▲一种微生物体内的CRISPR系统的工作原理（图片来源：参考资料[2]）

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（图片来源：参考资料[4]）

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。

▲张锋教授团队也报道了CRISPR基因编辑系统的重要应用（图片来源：参考资料[5]）

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。

发展与争议

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，带来更少的脱靶效应（指修改了不应修改的基因）；另一方面，CRISPR系统也已经超越了DNA，能够对RNA进行有效编辑。

此外，初代的CRISPR技术涉及DNA双链的断裂，会引起潜在的风险。如今，科学家们基于CRISPR体系，已经开发出了“单碱基”基因编辑系统，能够对基因进行“微调”。如果说以前的基因编辑，是把书的一页纸撕下，再粘上一页新的纸的话，这种“单碱基”基因编辑系统，就好像是把书页上的错别字给单独修改，有着更高的精度。

▲和CRISPR或Cas9有关的论文数近年来呈指数上升（图片来源：参考资料[7]）

当然，围绕着CRISPR的争议也不少。自这项技术问世以来，有关CRISPR基因编辑技术的专利就一直是个热议的问题，迄今也没有得到完美解决。此外，人们虽然确信CRISPR基因编辑技术迟早会得诺奖，但哪几位科学家能最终获奖，不同的人也会有不同的看法。

我们在这里也强调，随着时代的发展，当今科学的突破性进步，往往不再依赖一两名科学家的“尤里卡时刻”，而是要靠群体智慧的多年合作。我们祝贺今日斩获诺奖的这两名科学家，也同样感谢其他辛勤工作的科研人员们。没有所有参与者的加入，CRISPR基因编辑技术势必难以得到如此迅猛的发展。在这里，我们也向这些科学家们致以崇高敬意！

本文题图：123RF

参考资料：

[1] The Nobel Prize in Chemistry 2020， Retrieved October 7， 2020， from https：//www.nobelprize.org/prizes/chemistry/

[2] Eric S。 Lander， （2016）， The Heroes of CRISPR， Cell， DOI： 10.1016/j.cell.2015.12.041

[3] Yoshizumi Ishino et al。， （1987）， Nucleotide Sequence of the iap Gene， Responsible for Alkaline Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia coli， and Identification of the Gene Product， Journal of Bacteriology， DOI： 10.1128/jb.169.12.5429-5433.1987

[4] Martin Jinek et al。， （2012）， A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity， Science， DOI： 10.1126/science.1225829

[5] Le Cong et al。， （2013）， Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems， Science， DOI： 10.1126/science.1231143

[6] The BBVA Foundation distinguishes Emmanuelle Charpentier， Jennifer Doudna and Francisco Mojica， instigators of the CRISPR “revolution” in genome editing， Retrieved October 7， 2019， from https：//www.prnewswire.com/news-releases/the-bbva-foundation-distinguishes-emmanuelle-charpentier-jennifer-doudna-and-francisco-mojica-instigators-of-the-crispr-revolution-in-genome-editing-300399728.html

[7] Mazhar Adli （2018）， The CRISPR tool kit for genome editing and beyond， Nature Communications， DOI： 10.1038/s41467-018-04252-2