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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]）
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。
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。
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。
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
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