諾獎前同事精彩解讀：基因魔剪的發(fā)現(xiàn)和影響
圖片來自nobelprize.org
開篇話
撰文 | 晁彥杰 （中國科學院上海巴斯德研究所研究員）
責編 | 葉水送
2020年諾貝爾化學獎兩位得主，圖片來自nobelprize.org
在此之前，諾貝爾化學獎的榮譽僅僅授予過5位女性，其中就包含了居里夫人（1911）及其女兒約里奧-居里（1935）二人。自1901年諾貝爾獎設立以來，Charpentier和Doudna是第六位和第七位獲得諾貝爾化學獎的女性。同時，這也是歷史上首次一項諾貝爾獎同時授予兩位女性科學家。一方面反映了女性在當今社會中的不斷提升的地位與成就，另一方面也為眾多女性研究生和青年科技工作者樹立了一個成功的終極榜樣。Charpentier獲獎當天發(fā)言時特意強調(diào)，“希望她們的獲獎可以給全球的年輕女孩傳遞一個強有力的信號”。
其實早在2014年起，Charpentier和Doudna就已經(jīng)被認為是最有可能、最熱門的諾貝爾獎人選。她們的獲獎僅僅是一個時間問題。雖然Charpentier曾謙虛地表示諾貝爾獎只是一個細微的可能性，但Charpentier和Doudna兩人已經(jīng)包攬了世界上各種各樣的科學大獎。據(jù)不完全統(tǒng)計，在過去6年間，Charpentier共獲得37項重要的科學獎勵與榮譽，包括了2015突破獎，2016唐獎，2017日本國際獎，2018科維理獎，2020沃爾夫醫(yī)學獎等等。其中大部分獎項與Doudna共同獲得，僅有極個別獎項與其它CRISPR學者分享，如華人學者張峰和立陶宛學者Virginijus ?ik?nys。因此Charpentier和Doudna二人獲得2020年諾貝化學獎可以說是毫無懸念，甚至是眾望所歸。
CRISPR-Cas9的發(fā)現(xiàn)能夠受到諾貝爾獎的青睞完全不是偶然。作為一個可被編程的編輯工具，CRISPR-Cas9可以聽從指揮、精確地切割任何一段基因序列，被譽為是一種可以編輯和改寫生命密碼的強大的文字處理器。自從2006年成功完成人類基因組計劃之后，CRISPR-Cas9有可能是這個世紀人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，未來在各行各業(yè)中都將帶來巨大的變革?？梢灶A見在不遠的將來，人們可以利用CRISPR-Cas9技術，在更短時間內(nèi)、更精確地修正動物、植物、微生物和病毒的基因突變，淘汰耗時費力的傳統(tǒng)遺傳育種技術，獲得更優(yōu)質(zhì)的生物制品，治療先天性遺傳疾病，給癌癥患者帶來福音。
通常情況下，科學發(fā)現(xiàn)往往需要經(jīng)過長時間的考驗才會被社會廣泛接受與承認。但是CRISPR-Cas9作為基因編輯工具在2012年被報道后，僅僅8年時間就被授予了諾貝爾獎。這可能是歷史上頒獎最快的科學發(fā)現(xiàn)之一，足以見證CRISPR-Cas9給世界帶來革命一般的迅猛變化和巨大的影響力。
CRISPR-Cas9其實是小小微生物內(nèi)部的一套免疫系統(tǒng)，并不是天外來客。它的發(fā)現(xiàn)過程有一段傳奇般的歷史。最初，科學家們并不知道CRISPR-Cas9能有什么用，而是他們在追尋好奇心、堅持從事基礎研究的過程中的一個偶然發(fā)現(xiàn)。CRISPR-Cas9的發(fā)現(xiàn)離不開眾多科學家、尤其是微生物學家早期的努力與堅持，這背后本身也是一段有趣的故事。
故事始于大約30年前。90年代初，一位名叫Francisco Mojica的西班牙學者第一次在微生物中注意到了CRISPR的存在。CRISPR代表著Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，即一段非常有規(guī)律的重復性序列。當時人們對基因序列的了解非常少，Mojica等人也對CRISPR的功能百思不得其解，提出了很多可能的假說，但是數(shù)年間一直毫無進展。
這種情況大概持續(xù)了15年的時間。直到2005年之后，CRISPR的研究進展突然走上了高速路。事情的起因來自于一家酸奶公司內(nèi)部研究的偶然發(fā)現(xiàn)。這家公司制作酸奶使用的嗜熱鏈球菌，會被一種細菌病毒（噬菌體）破壞，因此公司希望能找到一種能抵抗噬菌體的菌株，提高酸奶生產(chǎn)效率。實驗發(fā)現(xiàn)篩選出的細菌中，CRISPR的序列發(fā)生了明顯的變化，首次證實 CRISPR的功能與抵抗噬菌體感染有關，而且這種功能需要CRISPR旁邊的Cas蛋白質(zhì)的參與。科學家們第一次認識到，CRISPR-Cas構(gòu)成了微生物中最原始的獲得性免疫系統(tǒng)，與人體免疫系統(tǒng)一樣，不但能識別外來入侵者而且具有記憶力！
自此之后，對微生物獲得性免疫系統(tǒng)的研究進入了如火如荼的黃金十年。人們都爭先恐后地想弄清楚這套免疫系統(tǒng)的工作機制，例如CRISPR-Cas是如何識別出外來入侵者的，如何摧毀它們，又是如何保存這段記憶的。在這個過程中，許多科學家對解析CRISPR-Cas都做出了卓越的貢獻。早期比較突出的是一位荷蘭學者John van der Oost。2008年，他帶領的團隊首次發(fā)現(xiàn)CRISPR其實是一段非編碼RNA，經(jīng)過剪切加工后，與多個Cas蛋白質(zhì)組裝成了一個大型的RNA-蛋白質(zhì)復合體，形成一套功能獨立的免疫系統(tǒng)，保護大腸桿菌不受噬菌體的威脅。
雖然大腸桿菌的CRISPR免疫系統(tǒng)也具備基因組編輯的潛力，但在當時并未引起大多數(shù)人的注意。因為這套系統(tǒng)包含了5個完全不同的蛋白質(zhì)，人工改造利用的難度較大；而且另一個關鍵問題沒有解決，這些蛋白質(zhì)究竟是怎么樣摧毀病毒的？
同樣是在2008年，美國芝加哥西北大學的一位微生物學博士后Luciano Marraffini完美地回答了這個問題。他通過巧妙的實驗設計，首次證明了CRISPR-Cas的作用對象是DNA，用切割的方式摧毀外來DNA，為“基因剪刀”的概念提供了堅實的理論支持，并大膽地預測CRISPR-Cas未來有可能用于編輯基因。
大約在同一時間，法國微生物學家Emmanuelle Charpentier開始與我的導師J?rg Vogel合作，在德國馬普感染生物學研究所開始對化膿性鏈球菌的RNA轉(zhuǎn)錄圖譜進行分析，意外地發(fā)現(xiàn)了一個與CRISPR相關的新分子，即tracrRNA。為了盡快弄清tracrRNA的功能，2009年起我也加入到這個課題中，負責完成離體的RNA實驗工作。我們發(fā)現(xiàn)tracrRNA與CRISPR RNA通過堿基配對的方式相互結(jié)合，引導CRISPR RNA的剪切與加工。我們的結(jié)果證明了tracrRNA是CRISPR-Cas系統(tǒng)的最主要的組分之一，對其免疫功能至關重要。更為關鍵的是，我們發(fā)現(xiàn)化膿性鏈球菌中的CRISPR免疫系統(tǒng)比大腸桿菌要簡單的多，只需要1個蛋白質(zhì)的參與！這個蛋白質(zhì)就是后來大名鼎鼎的Cas9，而這套最精簡的CRISPR-Cas9系統(tǒng)，成為了打開基因組編輯之門的一把萬能鑰匙。
這把鑰匙第一次開啟基因組編輯之門，來自于Emmanuelle Charpentier與美國RNA生物化學家Jeniffer Doudna的成功合作。從2011年3月二人相識到2012年6月論文被《科學》雜志接受，短短的一年時間內(nèi)，她們的團隊不僅成功弄清了CRISPR-Cas9核酸酶的工作機制，更將CRISPR RNA和tracrRNA融合改造成一條更加易用的向?qū)NA （guide RNA），第一次實現(xiàn)了對DNA的定點切割與編輯，首先對CRISPR-Cas9技術申請了專利，攜手拉開了基因組編輯時代的大幕。
2012年起，CRISPR-Cas9的研究進入了爆發(fā)式增長，大量基于CRISPR-Cas9的應用技術得以發(fā)明。僅僅一年之后的2013年，George Church、張峰等人將CRISPR-Cas9技術應用到了真核細胞中，證實CRISPR-Cas9可以實現(xiàn)對哺乳動物細胞的基因組編輯，而且在多種不同的細胞中都獲得了較高的效率。這些人很快預見到了CRISPR-Cas9未來在生物醫(yī)學領域各種各樣的臨床應用，成立了很多小型的初創(chuàng)公司進行臨床開發(fā)工作，如Editas，CRISPR therapeutics，Intellia Therapeutics等，現(xiàn)在都已在紐約證券交易所成功上市，資產(chǎn)達上億美金。CIRPSR-Cas9獲獎之后，這些CRISPR概念股一夜之間上漲了近三成。CRISPR-Cas9技術巨大的應用價值和迅速的市場轉(zhuǎn)化，令科學發(fā)現(xiàn)與資本市場、股票交易、專利權(quán)官司等緊密地聯(lián)系起來，這在諾貝爾獎歷史上也是非常少見的。
不僅僅是臨床治療與醫(yī)藥領域，CRISPR-Cas9的發(fā)現(xiàn)與應用也完全改變了生命科學的研究方式，一手推動了高等生物的科研工作全面跨入了“后基因組”或“功能基因組”時代。利用CRISPR-Cas9技術，幾周時間就可以在動物細胞內(nèi)刪除或改造一個基因，幾個月時間就能獲得一個基因改造過的動物品系，極大地加快了科研工作的進程，使一些以前不可能完成的任務變?yōu)榭赡?。這些工作以前往往需要花費數(shù)十倍的投入和時間，甚至需要幾代博士生的連續(xù)努力和失敗。而現(xiàn)在，CRISPR-Cas9將基因敲除變成了每個實驗室的常規(guī)技術，任何一個受過簡單訓練的技術員都可以完成。最近幾年，CRISPR-Cas9技術已經(jīng)發(fā)展到了高通量、規(guī)模化的階段，一次實驗可以篩選幾萬個基因的功能，使科學家們能夠迅速找到關鍵的疾病基因。例如我國著名科學家、中科院院士邵峰研究員，利用CRISPR-Cas9高通量篩選，成功地在人體細胞中找到了一個識別病原菌危險信號的新受體蛋白，充分展現(xiàn)出CRISPR-Cas9作為一個技術工具在現(xiàn)代生命科學研究中的重要作用。
科技改變世界，科技改變未來。這次諾貝爾化學獎，讓我們每個人都切身地感受到，一個在小小微生物中的基礎研究成果，如何迅速地發(fā)展成為一個改變世界、改變未來的“基因魔剪”。不過值得驕傲的是，這一次中國學者并沒有落后，對CRISPR-Cas9技術的發(fā)展和應用做出了大量的貢獻。中國科學家們不但發(fā)展出了很多新的基因組編輯工具，而且已經(jīng)在生命、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、海洋等許多不同的領域找到了CRISPR-Cas9的用武之地。
這一次，CRISPR-Cas9的時代已經(jīng)到來。未來，希望廣大同學們能夠繼續(xù)投身到更加前沿的基礎科學研究，做出原始創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)，引領下一次的科技革命浪潮。正如Doudna所說：“從事科學研究的目的不是為了拿獎，我們只是希望能了解奇妙的大自然”。大自然孕育生命的宏偉進程，加上科學家們對了解自然規(guī)律的好奇心，未來必將源源不斷地造就出各種各樣“偶然”的奇跡。而下一個發(fā)現(xiàn)奇跡的人，可能就是那個駐足觀察琢磨的你和我。
作者簡介
制版編輯 | Morgan
