基因編輯技術發(fā)明者為何能獲諾獎？這項技術的講究和用途，請出浙江科學家細說

2020年諾貝爾化學獎，首次同時授予2名女性科學家。

這兩位是基因編輯技術CRISPR/Cas9的發(fā)明者：法國和美國科學家埃曼紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna），獲獎理由是“開發(fā)了一種基因編輯技術”。兩人將獲得1000萬瑞典克朗獎金（約合760萬人民幣）。

組委會在新聞稿中將CRISPR/Cas9稱作“基因技術中最銳利的工具之一”，利用這些技術，研究人員可以非常精確地改變動植物和微生物的DNA。這項技術對生命科學產(chǎn)生了革命性的影響，正在為新的癌癥療法做出貢獻，并可能使治愈遺傳疾病的夢想成真。

這項技術，能否用于治療新冠？

浙江大學化學系副教授沈宏介紹，CRISPR-Cas9是一種基因編輯工具，其中Cas9酶就像一對能夠切割DNA鏈的分子剪刀。一旦酶在特定位點切割DNA，就可以進行插入和編輯，從而改變DNA序列。

沈宏說，該技術事實上是一種分子生物學技術，是分子層面上的生物學?！盎瘜W學科研究的領域當然是在分子層面的，經(jīng)典的生物學研究的是從生物體開始，逐漸向系統(tǒng)——器官——組織——細胞——細胞器，也就是所謂的Top-down方向。而從化學學科角度研究生物，則從分子層面出發(fā)，反向研究，也就是bottom-up方向?！?/span>

“前幾年，我認識的北京高校的教授，就用相關技術做松樹的基因編輯，實現(xiàn)其抗病蟲害”沈宏說，“松樹是重要的林業(yè)資源，用這個技術改造基因，消除病蟲害，就是很好的一種應用?！?/span>

在諾貝爾線上頒獎會中，美聯(lián)社記者詢問獲獎者卡彭蒂耶：基因編輯技術能否應用于治療新冠？

卡彭蒂耶回應：基因編輯無法直接影響新冠疫苗研發(fā)，但可能間接作用。她所在的實驗室正在這一方面努力，例如尋找新的疫苗成分。

事實上，部分科學家們也在嘗試利用基因編輯技術應對新冠病毒。

2020年2月15日，由杜德納實驗室成員成立的診斷公司，在官網(wǎng)發(fā)表了一份白皮書，描述了該公司利用CRISPR診斷檢測技術在大約30分鐘內(nèi)檢測出新冠（SARS-CoV-2）RNA的情況。

華裔科學家張峰曾被期望憑借CRISPR 技術成為諾貝爾得主之一。張峰和他的前團隊成員于今年3月21日發(fā)布了一份“使用 crispr 診斷法檢測新冠（SARS-CoV-2）的方案”。他們研發(fā)的SHERLOCK技術能利用Cas13（和Cas9同屬于crispr-cas 系統(tǒng)）在60分鐘內(nèi)檢測出RNA病毒。它的工作原理使其能夠鎖定特定的基因序列，在鼻、口、喉拭子或肺部液體中檢測SARS-CoV-2基因物質的片段。如果發(fā)現(xiàn)病毒的遺傳物質，CRISPR酶就會發(fā)出熒光。

CRISPR-Cas9基因剪刀從建立到得獎只用了8年時間

浙江大學醫(yī)學院教授謝安勇介紹，今年獲獎的CRISPR基因編輯技術目前主要應用于真核生物包括人、小鼠及植物或農(nóng)作物上進行定點基因編輯，實現(xiàn)基因改變以改善人類生活，“一般來說，有關技術的諾貝爾獎基本上都是等技術相對成熟、應用得以推廣后才能獲得此榮譽，但今年獲獎的基因剪刀技術從建立到得獎的速度相對較快，只用了8年時間，足以說明此項技術的發(fā)展及應用潛力?！?/span>

目前，基因剪刀技術已經(jīng)在不少臨床試驗中得以應用，比如癌癥的免疫治療中，研究人員會用該技術將免疫細胞中免疫抑制或免疫負調(diào)控的因子去除，比如敲除免疫細胞T細胞中的PD-1基因，增強T細胞的殺傷能力，達到免疫治療的效果。

謝安勇舉例了單基因遺傳病方面的治療方法，“像Leber氏先天黑蒙病、地中海貧血等單基因遺傳病，我們可以通過定點糾正原有的單基因突變，高效、準確地治療這類病。此外，也能利用這項技術高效地改良農(nóng)作物，要么提高抗旱能力，要么提高營養(yǎng)品質，要么增添花卉水果顏色，還可以使蘑菇和馬鈴薯的氧化減弱，產(chǎn)生類似‘保鮮’的效果。”

與前些年廣泛應用的轉基因技術相比，這項基因編輯技術更高效便捷。基因編輯基本不需要把額外的基因誘導進去內(nèi)源基因組，只需要在基因組內(nèi)部定點進行調(diào)控、改變，就能夠實現(xiàn)基因變化。

謝安勇說，靶向性的定點基因編排技術其實之前就有開展過，比如ZFN和TALEN?！爸暗募夹g是依據(jù)基因序列設置蛋白質結構，但設計繁瑣，需要改變蛋白質結構，容易破壞編輯酶的功能，不易達到高效、簡捷，難以推廣。”

2018年11月，世界首例基因編輯嬰兒出世，這對雙胞胎的一個基因經(jīng)過修改，使她們一出生就天然抵抗艾滋病。但此事件在當時變引起軒然大波，受到了許多倫理質疑。

謝安勇認為：“這項技術確實是一把雙刃劍，對生殖細胞的改變會從個體遺傳下來，它是永恒的。目前技術未達到期望的精確度，脫靶等問題并未解決，這會導致被編輯的人產(chǎn)生意想不到的疾病。如果疾病遺傳，整個人類群體基因就有改變的可能，這是不可預測的?！?/span>

他還強調(diào)，現(xiàn)在技術目前也只針對不具有生殖遺傳性質的體細胞進行應用，更多考慮的是是否必需、能否拿來治療沒有其它治療方式的患者。

對于基因剪刀技術的發(fā)展，謝安勇認為這項技術潛力還是很大的，除了通過定點誘導DNA斷裂來實現(xiàn)基因編輯，還可以用于轉錄調(diào)控和單堿基的修飾，“其應用將是廣泛的。”

諾貝爾化學獎，首次同時授予2名女性科學家兩位女科學家聯(lián)手

帶來這一技術的變革性力量

截止2019年，歷史上僅有5名女性獲得過諾貝爾化學獎。包括著名的居里夫人和她女兒。今天獲獎的兩位女科學家接受專訪時稱，希望能給年輕女孩們傳遞強有力的信號。

此次獲獎的卡彭蒂耶，她的研究重點是感染性疾病分子生物學，28歲放棄舞蹈開始鉆研生物化學和微生物學。

杜德納主要研究方向為RNA介導基因調(diào)節(jié)的分子機制，其博士導師和博士后指導教師，都是諾貝爾獎獲得者。

自從日本科學家20世紀80年代末發(fā)現(xiàn)CRISPR之后，科學家就一直在研究這種奇怪的基因序列。然而，直到杜德納和卡彭蒂耶偶然注意到一種名叫Cas9的蛋白，CRISPR才顯示出它作為基因組編輯工具的巨大潛力。

2011年，卡彭蒂耶和杜德納在波多黎各學術會議上相識，研究方向的一致性和研究內(nèi)容的互補性使二人決定開展緊密合作：他們的團隊都在研究細菌防御病毒入侵的機制；他們都已經(jīng)確認，細菌可以記住以前入侵過自己的病毒的DNA，以此來識別病毒，當該病毒再次入侵時，它們就會立刻認出“敵人”。

當時，卡彭蒂耶在于默奧大學的實驗室剛剛發(fā)現(xiàn)，鏈球菌似乎會用Cas9蛋白來“搗碎”突破其細胞壁的病毒。于是，杜德納在伯克利的實驗室，也開始探究Cas9蛋白的作用機理。

這個橫跨大西洋的團隊一起對Cas9蛋白進行了幾個月的研究，并且取得了突破。2012年8月17日，當杜德納和卡彭蒂耶將他們對CRISPR-Cas9的研究成果公諸于眾時，該領域的科學家立刻認識到這一技術的變革性力量，他們都想知道CRISPR-Cas9究竟能做什么，一場全球性競賽由此拉開序幕。

2013年初，兩個團隊進一步利用CRISPR-Cas9技術在細胞內(nèi)實現(xiàn)DNA精確編輯，隨后引發(fā)一個井噴式發(fā)展，通過改造還可實現(xiàn)基因表達的激活或抑制調(diào)控。

圖據(jù)果殼網(wǎng)科普小知識

什么是基因編輯？

這是細菌和病毒間的作戰(zhàn)故事。病毒時常攻擊細菌，把自己的DNA注入細菌體內(nèi)——這種情況的后果相當嚴重，可能會導致細菌死翹翹。

于是，在漫長的演化過程中，細菌體內(nèi)演化出了一套防御系統(tǒng)，專門用來對付這種情況，它就是CRISPR/Cas系統(tǒng)。

CRISPR是個資料庫，用來儲存病毒的資料，也就是它們的DNA片段。其中有些重復出現(xiàn)的DNA片段，就相當于一塊塊擋板，把不同的病毒DNA隔開。

另外，它還有一家武器工廠（Cas），負責生產(chǎn)各種Cas蛋白質，你可以把它們想象成不同款式的剪刀。

每當有新病毒進攻，剪刀就會跑出來剪斷它的DNA，然后把其中一小段帶回資料庫里儲存起來。

接下來，這段DNA會轉錄成RNA，和另一把剪刀結合。要知道，這段DNA和這段RNA是可以相互匹配的。所以如果同樣的病毒再次進攻，它們就可以迅速匹配到敵人，然后咔嚓剪斷對方的DNA，消滅侵染。

最棒的是，這個資料庫可以遺傳給后代。所以，細菌可以識別和消滅它的祖先曾經(jīng)遇到過的病毒。

前幾年，科學家挑選了其中一種剪刀（Cas9），用它來編輯基因，包括刪除壞的基因、添加好的基因。

原來，DNA被剪斷后會得到修復、重新連接起來。但這個過程很容易出錯，比如丟失些配件（堿基對）什么的，這就會導致原來的基因失效——相當于達到了刪除基因的目的。

不過，如果科學家在這時候給它提供一條新的DNA片段，那么它就會被縫在接口處，于是就達到了添加特定基因的目的。

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