基因的剪刀 | 2020年诺贝尔化学奖授予CRISPR开发者

原文作者：Heidi Ledford & Ewen Callaway

因开发了精准基因编辑技术，Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna 共同获得了2020年诺贝尔化学奖。

两位开创了革命性基因编辑技术CRISPR的科学家获得了今年的诺贝尔化学奖。

诺贝尔委员会选择了目前在柏林马克斯·普朗克病原体科学研究所（Max Planck Unit for the Science of Pathogens）工作的Emmanuelle Charpentier 和加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna，这使多年来关于谁将因开发CRISPR-Cas9基因编辑工具而获得诺奖的猜测尘埃落定。这项技术允许对基因组进行精准编辑，自本世纪10年代问世以来，它已经“席卷”了全世界的实验室。它有无数的应用：研究人员希望用它来改变人类基因以消除疾病，培育更顽强的植物，消灭病原体等等。

Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier因为发现了一项革命性的基因编辑技术而荣获2020年诺贝尔化学家。来源：Alexander Heinel / Picture Alliance / DPA

诺贝尔化学委员会成员、生物物理化学家Pernilla Wittung Stafshede在宣布获奖时表示：“可以在你想要的地方切割DNA的能力已经彻底改变了生命科学。这把‘基因剪刀’八年前才被发现，但已经极大地造福了人类。”

Doudna 和 Charpentier 以及她们的同事做了重要的早期工作来表征这个系统，但是其他几位科学家也被认为是CRISPR发展的关键贡献者，并已被其他一些知名奖项认可。他们中包括麻省理工学院博德研究所、哈佛大学的张锋，马萨诸塞州波士顿哈佛医学院的George Church，以及立陶宛维尔纽斯大学的生物化学家Virginijus Siksnys( 见“CRISPR的众多先驱”）。

Doudna “当时真得睡得很熟”，直到被手机的嗡嗡声吵醒。她接到了一位《自然》杂志记者的电话，是他把获奖的消息告诉了她。Doudna说:“我在夏威夷的一个小镇上长大，我从来没有想到会发生这样的事情。我真的很震惊，我完全惊呆了。”

Doudna说:“我知道有许多了不起的科学家永远也得不到这个奖，理由并不是他们不够优秀。我真的自感惭愧。”

诞生自细菌

CRISPR是“规律间隔成簇短回文重复序列”(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)的缩写，它是一种微生物的“免疫系统”，细菌和古菌或原核生物利用它来防止噬菌体病毒的感染。CRISPR系统的核心是让原核生物能够精确识别与噬菌体或其他入侵者相匹配的基因序列，并利用特殊的酶对这些序列进行有针对的销毁。

之前的工作已经明确了这些酶是CRISPR相关蛋白(Cas)，包括一种被称为Cas9的酶。但是原先在维也纳大学，后来去了瑞典Umeå 微生物研究中心工作（Umeå Centre for Microbial Research）的Charpentier在研究可致人类疾病的化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）时，发现了CRISPR系统的另一个关键成分，一种参与识别病毒序列的RNA分子。

Charpentier在2011年报告了这一发现，并在那一年与Doudna展开了合作。在2012年发表在《科学》杂志上的一篇具有里程碑意义的论文中，二人将CRISPR-Cas9系统应用于试管实验中，并表明该系统可以被编程来切断分离出来的DNA中的特定位点。她们的可编程基因编辑系统激发一股在医学、农业和基础科学领域的应用潮——对CRISPR不断进行调整和改进并去发现其他基因编辑工具的工作仍在继续。

曾在Doudna实验室做博士后，并且是那篇重要的《科学》杂志论文的共同第一作者之一，现苏黎世大学（University of Zurich）生物化学家Martin Jinek表示：“那时候我们希望我们能真正将这一项发现转化为重写细胞和生物体遗传密码的技术。但当时我们没有意识到的是，这项技术被同行们迅速采用，然后又以飞快的速度被向前推进。”

CRISPR的众多先驱

没有Francisco Mojica，CRISPR就不会存在。这位来自西班牙阿利坎特大学的微生物学家帮助命名了该系统。1993年，Mojica在古菌Haloferax的基因组中发现了特殊的重复DNA序列。他后来证明，类似的序列在原核生物中广泛存在，并且与噬菌体(感染细菌的病毒)中的遗传物质相匹配。 

2005年，Mojica推测这些序列是一个微生物的免疫系统的一部分。Mojica和荷兰乌得勒支大学的Ruud Jansen一起提出了这个现已获得诺贝尔奖的首字母缩略词：CRISPR，规律间隔成簇短回文重复序列的缩写。由于在CRISPR方面的工作，Mojica在2017年与Charpentier、Doudna、张锋和Luciano Marraffini（纽约洛克菲勒大学）分享了价值50万美元的奥尔巴尼医学中心医学奖（Albany Medical Center medicine prize）。

Doudna和 Charpentier 并不是唯一认识到CRISPR系统可以被编程去切断其他DNA片段的科学家。2012年，就在这对搭档发表了她们的实验，表明CRISPR-Cas9系统可以切断分离出来的DNA的时候，立陶宛维尔纽斯大学生物化学家Virginijus Siksnys领导的团队展示了如何指示Cas9酶去切断预先定义好的DNA序列。2018年，Siksyns与Doudna和Charpentier一起分享了卡夫利纳米科学奖（Kavli Prize in Nanoscience）。 

诺贝尔委员会决定不把张包括在内令人意外。这位遗传学家被普遍认为最有可能因CRISPR与Charpentier和Doudna共同获得诺贝尔奖。2013年初，张的团队在《科学》杂志上发表了一篇论文[1]，对CRISPR-Cas9系统进行了改进，以在人类和小鼠细胞中进行精准的基因组切割。大约同一时间段，Church的团队也发表了切割人类细胞DNA的工作。

韩国大田基础科学研究所的基因工程师Jin-Soo Kim是将CRISPR基因组编辑技术应用在各种不同的细胞中的第一批研究人员之一。他表示，尽管他兴奋于诺奖的公布，但是他对于盐湖城犹他大学生物化学家Dana Carroll被忽视感到惊讶。早在CRISPR出现之前，Carroll就开发出了利用其他酶(锌指核酸酶)编辑基因组的方法。

尽管CRISPR比锌指核酸酶更容易使用，Kim说他认为Carroll是基因组编辑领域的奠基者。他说：“毫无疑问，Doudna和 Charpentier 值得认可。但如果没有通过锌指核酸酶进行基因组编辑的演示，没有多少人能够想象CRISPR-Cas9的应用。”

商业化的竞赛

在不到10年的时间里，研究人员利用CRISPR-Cas9开发了基因编辑的作物、昆虫、遗传模型和实验性的人类疗法。使用该技术治疗镰状细胞贫血、遗传性失明和癌症的临床试验正在进行中。Doudna、Charpentier和其他一些同行已经成立了一代生物技术公司，旨在开发这项技术，以实现这些目标。

但这项技术也引发了争议——尤其是它在人类细胞方面的新兴应用。2018年11月，中国生物物理学家贺建奎宣布，他和同事利用CRISPR-Cas9编辑胚胎，最后诞生了一对双胞胎女孩。这条新闻引发了强烈抗议：编辑胚胎引发了一系列伦理、社会和安全方面的担忧，很快世界各地的众多研究人员纷纷谴责了贺的工作。

今年9月，一个由美国和英国主要的科学协会召集的国际小组再次得出结论，认为这项技术还没有准备好用于要去植入的人类胚胎。

这项工作还引发了一场激烈的专利之争——主要发生在博德研究所和加州大学伯克利分校之间——关于谁拥有CRISPR-Cas9基因组编辑这一利润丰厚的知识产权的争论一直持续到今天。

尽管如此，Church还是同意该奖项的分配方式。虽然他为他的实验室和张的实验室所做的工作感到自豪 —— 他们将该系统应用到了哺乳动物细胞中，为此打开了建模和潜在治疗人类疾病的大门——但是Church认为他的工作更应该算作工程和发明，而不是科学发现。他说：“我认为这是一个很好的选择。”

遗传学家、美国国立卫生研究院院长 Francis Collins表示，选出一项发现来颁奖总是很困难的。他说：“事实上，没有什么东西是凭空而来的。当你仔细研究任何科学发现去决定选谁谁谁获奖时，总是非常困难的。”

但是CRISPR-Cas9基因编辑的一个独特方面是这项技术的易用性和多功能性，Collins补充到，“CRISPR-Cas让这项技术更容易被接受。所有我知道的分子生物学实验室没有一个不开始使用CRISPR-Cas技术的了。”

参考文献：

1.Jinek, M. et al. Science 337, 816-821 (2012).

原文以 Pioneers of revolutionary CRISPR gene editing win chemistry Nobel为标题发表在 2020年10月7日的《自然》新闻版块

© nature

doi: 10.1038/d41586-020-02765-9

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