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? ? ? ?北京時間今天下午，諾貝爾基金會宣布，近年來火熱的CRISPR基因編輯系統(tǒng)斬獲本年度的諾貝爾化學獎，在這一領域做出卓越貢獻的Emmanuelle Charpentier教授和Jennifer Doudna教授摘得桂冠。正如人們所說的那樣，這一革命性的發(fā)現(xiàn)為整個生物技術領域提供了無限可能。

▲今年的諾貝爾化學獎得主（圖片來源：參考資料[1]）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地中海邊的神奇發(fā)現(xiàn)

? ? ? ? CRISPR基因編輯系統(tǒng)的故事還要從一座名為圣波拉（Santa Pola）的地中海小城說起。30年前，一位名為Francisco Mojica的年輕人在當?shù)氐囊凰髮W開始攻讀博士學位，而他的研究對象，就是圣波拉海灘上發(fā)現(xiàn)的一種古細菌。

▲CRISPR基因編輯的誕生，離不開Francisco Mojica教授的發(fā)現(xiàn)（圖片來源：BBVA Foundation）

? ? ? ? ? 在分析這種古細菌的DNA序列時，年輕的Mojica觀察到了一個有趣的現(xiàn)象——這些微生物的基因組里，存在許多奇怪的“回文”片段。這些片段長30個堿基，而且會不斷重復。在兩段重復之間，則是長約36個堿基的間隔。對于這種具有規(guī)律性的重復，Mojica后來給它起了一個拗口的名字“常間回文重復序列簇集”（ClusteredRegularlyInter-SpacedPalindromicRepeats）。不過它的縮寫好記多了，它就是本文的主角CRISPR。

? ? ? ? ?事實上，這并不是人類首次發(fā)現(xiàn)CRISPR序列。早在1987年，一支日本團隊（石野良純教授為第一作者）就已發(fā)表論文，表明大腸桿菌里也有類似的序列。不少科學家認為，這是人類首次知道CRISPR序列的存在。然而，這支日本團隊當時并沒有對CRISPR序列進行詳細的研究，因此它的功能還不為人所知曉。

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▲1987年的這篇論文，可能是人類首次知道CRISPR序列的存在（圖片來源：參考資料[3]）

Mojica教授推斷說，如果兩種有著巨大差異的微生物里都有這種奇怪的序列，這就說明它肯定有著某種特殊的功能。在成立了自己的實驗室后，他又發(fā)現(xiàn)大約另外20多種微生物里，同樣具有CRISPR序列。然而，這種奇怪序列的功能，卻遲遲未能得到解答。

? ? ? ? ? ? ? ? ?微生物的“免疫系統(tǒng)”

? ? ? ? 為了尋找CRISPR序列的功能，Mojica教授每天都在數(shù)據(jù)庫里痛苦地搜索，想要發(fā)現(xiàn)這些奇怪序列的意義。2003年，大海撈針般的探索，還真的給他找到了一片新天地！Mojica教授發(fā)現(xiàn)，一些大腸桿菌內(nèi)的CRISPR序列，與一種叫做“P1噬菌體”的病毒的序列高度吻合。顧名思義，噬菌體是一種能夠“吃掉”細菌的病毒，這一種噬菌體也的確能夠攻擊大腸桿菌。但有意思的是，Mojica教授所研究的這批大腸桿菌，竟能完全不受P1噬菌體的感染！

Mojica教授立刻意識到，這與人類的免疫系統(tǒng)何其相似！在人體里，免疫系統(tǒng)會記住過去遇到過的病原體的模樣。等到病原體入侵時，就會對其發(fā)起攻擊。而在大腸桿菌細胞內(nèi)，CRISPR序列也同樣能讓細菌記住噬菌體的模樣，抵抗病毒的感染。

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▲一種微生物體內(nèi)的CRISPR系統(tǒng)的工作原理（圖片來源：參考資料[2]）

為了這一刻，Mojica教授已經(jīng)等待了18個月的漫長時光。興奮的他在2003年向《自然》雜志投去了他的研究結果。很快，《自然》的編輯以“早就知道了”為由，拒絕發(fā)表這項研究。不久后，《美國國家科學院院報》（PNAS）也以“缺乏新穎性和重要性”，同樣予以拒絕。再之后，Molecular Microbiology與Nucleic Acid Research兩本期刊也給Mojica教授發(fā)了拒信。萬念俱灰之下，他把論文投給了Journal of Molecular Evolution，一本影響因子不到2分的期刊。即便如此，這篇論文還是經(jīng)過了長達一年的修改和審核，才最終得以發(fā)表。此時，已是2005年2月。

? ? ? ? ? ? ? ?? 切開DNA的魔剪

? ? ? ? 在接下來的幾年里，科學家們對CRISPR序列的作用做了進一步的完善，并闡明了它的詳細機理。原來在病毒感染細菌后，CRISPR序列會喊來幫手，形成一個具有核酸切割能力的復雜結構，并最終切斷病毒的DNA。對于細菌來說，這是從源頭清除病毒感染的好方法。

? ? ? 但對生物學家來說，這套細菌的“免疫系統(tǒng)”，讓他們看到了精準切割DNA的希望！或許，它能被開發(fā)成為一種高效的基因編輯方法。2012年，維也納的Emmanuelle Charpentier教授與加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的Jennifer Doudna教授在《科學》雜志上發(fā)表了她們的發(fā)現(xiàn)，確認她們所設計的CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)（Cas9是一種能切割DNA的內(nèi)切酶）能在DNA的特定部位“定點”切開口子。在論文中，她們也指出將來有潛力利用這個系統(tǒng)，對基因組進行編輯。

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▲Emmanuelle Charpentier教授與Jennifer Doudna教授報道的CRISPR基因編輯系統(tǒng)（圖片來源：參考資料[4]）

? ? ? ? ??這里還有一個小插曲。在立陶宛，一名叫做Virginijus Siksnys的科學家也在研究使用CRISPR系統(tǒng)編輯基因的潛力。雖然他的論文投出的時間更早，但不幸被《細胞》雜志的編輯所拒，只能轉投《美國國家科學院院報》。這也使得他的論文最終要晚上2個月上線。

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▲張鋒教授團隊也報道了CRISPR基因編輯系統(tǒng)的重要應用（圖片來源：參考資料[5]）

? ? ? ? ?2013年新年伊始，《科學》雜志再度刊登了一篇關于CRISPR系統(tǒng)的重磅文章。這一次，主導這項研究的是Broad研究所的張鋒教授。論文里，科學家們首次將CRISPR技術應用到了哺乳動物細胞內(nèi)，并證明它能在短短幾周之內(nèi)，就建立起小鼠的疾病模型。隨后，這支團隊也首次在人類細胞中成功使用CRISPR-Cas系統(tǒng)完成了基因編輯。

? ? ? ? ? ? ? ? 發(fā)展與爭議

? ? ? ? 自CRISPR-Cas9基因編輯技術誕生以來，科學家們對其進行了大量的優(yōu)化與改造。一方面，現(xiàn)在的CRISPR基因編輯技術可以變得更精準，帶來更少的脫靶效應（指修改了不應修改的基因）；另一方面，CRISPR系統(tǒng)也已經(jīng)超越了DNA，能夠對RNA進行有效編輯。

? ? ? ? ?此外，初代的CRISPR技術涉及DNA雙鏈的斷裂，會引起潛在的風險。如今，科學家們基于CRISPR體系，已經(jīng)開發(fā)出了“單堿基”基因編輯系統(tǒng)，能夠對基因進行“微調(diào)”。如果說以前的基因編輯，是把書的一頁紙撕下，再粘上一頁新的紙的話，這種“單堿基”基因編輯系統(tǒng)，就好像是把書頁上的錯別字給單獨修改，有著更高的精度。

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▲和CRISPR或Cas9有關的論文數(shù)近年來呈指數(shù)上升（圖片來源：參考資料[7]）

? ? ? ? ?當然，圍繞著CRISPR的爭議也不少。自這項技術問世以來，有關CRISPR基因編輯技術的專利就一直是個熱議的問題，迄今也沒有得到完美解決。此外，人們雖然確信CRISPR基因編輯技術遲早會得諾獎，但哪幾位科學家能最終獲獎，不同的人也會有不同的看法。

? ? ? ? 在這里也強調(diào)，隨著時代的發(fā)展，當今科學的突破性進步，往往不再依賴一兩名科學家的“尤里卡時刻”，而是要靠群體智慧的多年合作。我們祝賀今日斬獲諾獎的這兩名科學家，也同樣感謝其他辛勤工作的科研人員們。沒有所有參與者的加入，CRISPR基因編輯技術勢必難以得到如此迅猛的發(fā)展。在這里，我們也向這些科學家們致以崇高敬意！

參考資料：

[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

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