諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給“基因編輯”，華裔科學(xué)家張鋒未能一同加冕

賈浩楠 鄭集楊 發(fā)自 凹非寺
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“東邊不亮西邊亮”。

2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，頒給了兩位基因編輯技術(shù)科學(xué)家。

要知道她們?cè)谌ツ?，可是諾獎(jiǎng)生理學(xué)\醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的熱門候選，并且支持者非常堅(jiān)定，認(rèn)為是時(shí)候輪到她們了。沒想到一年之后，該方向研究在“理綜”獎(jiǎng)——諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)實(shí)現(xiàn)加冕。

她們是：

Emmanuelle Charpentier，法國籍科學(xué)家，德國柏林馬克斯·普朗克病原體科學(xué)研究所主任。

和Jennifer Doudna，美國籍科學(xué)家，現(xiàn)為加州大學(xué)伯克利分校教授，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。

諾獎(jiǎng)委員會(huì)稱：

他們開發(fā)了基因技術(shù)中最銳利的工具之一：CRISPR/Cas9“基因剪刀”。利用這些技術(shù)，研究人員可以極其精確地改變動(dòng)物、植物和微生物的DNA。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)生命科學(xué)產(chǎn)生了革命性的影響，可以幫助研究者開發(fā)新的癌癥療法，并使治愈遺傳疾病的夢想成為現(xiàn)實(shí)。

兩位女性獲獎(jiǎng)科學(xué)家

Emmanuelle Charpentier，（艾曼紐·夏邦杰）現(xiàn)任德國柏林馬克斯-普朗克感染生物學(xué)研究所所長。

她1968年出生于法國的Juvisy-sur-Orge，今年52歲，本科在巴黎的Pierre and Marie Curie大學(xué)（今索邦大學(xué)理學(xué)院）學(xué)習(xí)生物化學(xué)、微生物學(xué)和遺傳學(xué)。

1992年至1995年，她在巴斯德學(xué)院讀研究生，并獲得研究博士學(xué)位，當(dāng)時(shí)她的項(xiàng)目研究的是抗生素耐藥性的分子機(jī)制。

2015年，接受了德國馬克斯-普朗克學(xué)會(huì)的邀請(qǐng)，成為該學(xué)會(huì)的科學(xué)會(huì)員，并在柏林馬克斯-普朗克感染生物學(xué)研究所擔(dān)任所長。

而她今天獲得諾獎(jiǎng)的研究CRISPR/Cas9分子機(jī)制即基因編輯手段，則是她2011年在一次研究會(huì)議上認(rèn)識(shí)了Jennifer Doudna之后，一同開展的研究。

Charpentier的實(shí)驗(yàn)室與Jennifer Doudna的實(shí)驗(yàn)室合作，證明了Cas9可以用來對(duì)任何需要的DNA序列進(jìn)行切割。

2013年，艾曼紐·夏邦杰將這一技術(shù)的商業(yè)化提上日程，成立了CRISPR Therapeutics公司。

Charpentier曾獲得過許多國際獎(jiǎng)項(xiàng)，包括生命科學(xué)突破獎(jiǎng)、Louis-Jeantet醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、Gruber基金會(huì)國際遺傳學(xué)獎(jiǎng)、德國最負(fù)盛名的研究獎(jiǎng)Leibniz獎(jiǎng)等等。

另一位，Jennifer A. Doudna（詹妮弗·安妮·杜德娜），生于1964年2月19日，今年56歲。

美國生物化學(xué)家，目前她是加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)系和分子與細(xì)胞生物學(xué)系的講座教授。

杜德娜1985年畢業(yè)于波莫納學(xué)院，1989年獲得哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士學(xué)位。

自1997年以來，她一直是霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的研究人員。

2018年，她又在格萊斯頓研究所擔(dān)任高級(jí)研究人員的職位，同時(shí)也是UC Berkeley的教授。

2012年，杜德娜和Emmanuelle Charpentier率先提出CRISPR-Cas9可以用于基因組的可編程編輯，被認(rèn)為是生物學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。

杜德娜在生物化學(xué)和遺傳學(xué)領(lǐng)域做出了基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)，并獲得了許多著名的獎(jiǎng)項(xiàng)和獎(jiǎng)學(xué)金。

杜德娜博士的另一項(xiàng)重要成果，是對(duì)核糖體X射線晶體學(xué)確定結(jié)構(gòu)的研究，她也因此獲得2000年艾倫·T·沃特曼獎(jiǎng)。

讀懂CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)

CRISPR，是Clustered， Regularly Interspaced， Short Palindromic Repeats”的縮寫。

即成簇、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列。

利用這種序列，細(xì)菌可以對(duì)侵襲過它的病毒產(chǎn)生“記憶”。

CRISPR在20世紀(jì)80年代被日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，但直到Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna，一種名叫Cas9的蛋白被發(fā)現(xiàn)，CRISPR才顯示出它作為基因組編輯工具的巨大潛力。

Emmanuelle Charpentier對(duì)化膿性鏈球菌（一種對(duì)人類造成最大傷害的細(xì)菌）的研究中，發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的分子——tracrRNA。

她的研究表明，tracrRNA是細(xì)菌古老的免疫系統(tǒng)CRISPR/Cas的一部分，該系統(tǒng)通過切割病毒的DNA從而解除了它們的“進(jìn)攻”。

而Jennifer Doudna則是有豐富RNA知識(shí)的資深生物化學(xué)家。

據(jù)《環(huán)球科學(xué)》在2014年的專題文章介紹，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna在波多黎各圣胡安的一次科學(xué)會(huì)議上相識(shí)。

她們有很多共同點(diǎn)：他們的團(tuán)隊(duì)都在研究細(xì)菌防御病毒入侵的機(jī)制；他們都已經(jīng)確認(rèn)，細(xì)菌可以記住以前入侵過自己的病毒的DNA，以此來識(shí)別病毒，當(dāng)該病毒再次入侵時(shí)，它們就會(huì)立刻認(rèn)出“敵人”。

那次會(huì)議后不久，她們就決定合作。

當(dāng)時(shí)，Charpentier在于默奧大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室剛剛發(fā)現(xiàn)，鏈球菌似乎會(huì)用Cas9蛋白來“搗碎”突破其細(xì)胞壁的病毒。

于是，Doudna在伯克利的實(shí)驗(yàn)室，也開始探究Cas9蛋白的作用機(jī)理。

很快，她們意識(shí)到或許可以用Cas9蛋白來進(jìn)行基因組編輯。

基因組編輯是基因工程中的一種方法，酶是這一過程中的“分子剪刀”，可以剪切DNA。這種酶名叫核酸酶（nuclease），能在特定的位點(diǎn)切斷雙鏈DNA。

DNA斷裂后，細(xì)胞會(huì)對(duì)斷裂位點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。有時(shí)，細(xì)胞中一些人為導(dǎo)入的基因片段，會(huì)在修復(fù)的過程中插入這些位點(diǎn)。

于是兩位科學(xué)家在剛開始合作的時(shí)候，科學(xué)家如果想改變或去除一個(gè)基因，最先進(jìn)的方法，是定制一種能找到特定DNA位點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行切割的酶。

換句話說，每修飾一次基因，科學(xué)家都不得不設(shè)計(jì)一種新的蛋白，專門針對(duì)想要修飾的DNA序列。

但她們意識(shí)到，Cas9蛋白——這種鏈球菌用于免疫防衛(wèi)的酶，會(huì)用RNA來引導(dǎo)自己找到目標(biāo)DNA。

為了探測作用位點(diǎn)，Cas9-RNA復(fù)合物會(huì)在DNA上不?！皰呙琛保钡秸业秸_的位點(diǎn)。

這一過程看似隨機(jī)，其實(shí)不然。Cas9蛋白的每次掃描，都是在搜索同一段短小的“信號(hào)”序列。Cas9會(huì)附著到DNA上，檢測鄰近的序列是否和充當(dāng)向?qū)У腞NA匹配。這種RNA叫做向?qū)NA（guide RNA，簡稱gRNA），而只有當(dāng)gRNA和DNA匹配時(shí)，Cas9蛋白才會(huì)對(duì)DNA進(jìn)行切割。

如果能將這套天然的RNA向?qū)到y(tǒng)利用起來，研究人員在切割DNA位點(diǎn)時(shí)，就不用每次都構(gòu)建一種新的酶了?；蚪M編輯可能會(huì)因此變得更簡單、更便宜，也更有效。

最終，她們?cè)O(shè)想：

其實(shí)可以將這些RNA分子設(shè)計(jì)成一條gRNA。

一套由一個(gè)蛋白質(zhì)和一條gRNA組成的系統(tǒng)，就足以成為一個(gè)強(qiáng)大的基因修飾工具。

并且真的成功了。

2012年8月17日，她們將CRISPR-Cas9的研究成果公諸于眾，一石激起千層浪。

CRISPR-Cas9基因“剪刀”出現(xiàn)后，一學(xué)家現(xiàn)以在幾周的時(shí)間內(nèi)去更改生命周期。

細(xì)菌的遺傳剪刀結(jié)構(gòu)被大大簡化，因而更易于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行使用。

而且她們隨后還對(duì)遺傳剪刀進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

“剪刀”在天然形式下能夠識(shí)別病毒中的DNA，但是Charpentier和Doudna證明：

可以對(duì)其進(jìn)行控制，以便可以在預(yù)定位置切割任何DNA分子，包括基因組中的。

帶來的影響？

一扇新的大門被推開。

不僅是研究，還有商業(yè)化。

CRISPR-Cas9對(duì)遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)的作用，堪稱“立竿見影”。

目前，研究人員正在運(yùn)用該技術(shù)，探索艾滋病、阿爾茨海默病、精神分裂癥等疾病的治療方法。該技術(shù)將生物體的基因修飾過程變得相當(dāng)簡單與廉價(jià)，研究人員和倫理學(xué)家甚至開始擔(dān)心，這會(huì)催生負(fù)面效應(yīng)——確實(shí)也發(fā)生了。

不過也有正向的案例，比如中國科學(xué)家，利用CRISPR-Cas9完成了世界首例基于基因編輯干細(xì)胞治療艾滋病和白血病的案例。

2019年9月，來自北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心的鄧宏魁等人，在頂級(jí)醫(yī)學(xué)期刊《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》（The New England Journal of Medicine）上發(fā)表的新研究：

利用CRISPR/Cas9技術(shù)，科學(xué)家對(duì)人造血干細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，基因編輯后的干細(xì)胞在動(dòng)物模型中可長期穩(wěn)定重建造血系統(tǒng)，并且其產(chǎn)生的外周血細(xì)胞具有抵御艾滋和白血病能力。

當(dāng)時(shí)就有評(píng)論，這項(xiàng)工作初步證明了基因編輯的成體造血干細(xì)胞移植的可行性和在人體內(nèi)的安全性，將會(huì)促進(jìn)和推動(dòng)基因編輯技術(shù)在臨床應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

除了艾滋與白血病，這項(xiàng)技術(shù)有潛力攻克多種復(fù)雜病癥。

鄧宏魁認(rèn)為，以CRISPR為代表的基因編輯技術(shù)在疾病的治療上具有極大的應(yīng)用潛力，有望為艾滋病、鐮刀型貧血、血友病、β地中海貧血等血液系統(tǒng)相關(guān)疾病的治療帶來新的曙光。

總之，也可以看到CRISPR/Cas9的巨大力量。

One more thing

在CRISPR-Cas9的獲獎(jiǎng)中，令人遺憾的是華裔科學(xué)家張鋒教授。

張鋒，1982年出生于河北石家莊，斯坦福大學(xué)化學(xué)及生物工程博士，是當(dāng)今最為人所關(guān)注的華裔生物學(xué)家之一。

他最著名的工作是基因修飾技術(shù)CRISPR-Cas9的發(fā)展和應(yīng)用，率先獲得了美國專利，并被視為諾貝爾獎(jiǎng)的熱門人選之一。

可以說，張鋒始終是CRISPR基因編輯技術(shù)的奠基人之一。

但此次“落選”，也算意料之外，情理之中。

這也不是張鋒第一次落選CRISPR相關(guān)獎(jiǎng)項(xiàng)了。

就在2020年1月14日，2020年度的沃爾夫獎(jiǎng)生物學(xué)獎(jiǎng)就授予了CRISPR基因編輯的兩位奠基人：Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier。

張鋒未能一同獲獎(jiǎng)。

而此前與CRISPR相關(guān)的2015年科學(xué)突破獎(jiǎng)、2016年阿爾珀特獎(jiǎng)的世界大獎(jiǎng)，也都是頒給了Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier等人，而其中并沒有包括張鋒。

之前有解釋說，雖然張鋒在CRISPR的應(yīng)用上做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是CRISPR的多數(shù)奠基工作都是由Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier完成的。

但也有人鳴不平。比如2016年國際基因測序先驅(qū)埃里克·蘭德（Eric Lander）在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表綜述文章，總結(jié)CRISPR技術(shù)的發(fā)展歷程。

就認(rèn)為在張鋒利用CRISPR在真核細(xì)胞生物實(shí)現(xiàn)基因編輯之后，CRISPR技術(shù)帶來了“暴風(fēng)驟雨般的改變”。

— 完 —

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