來源：新浪科技
利用「基因剪刀」，研究人員可以編輯幾乎所有生命體的基因組
專題：2020年諾貝爾獎
2020諾貝爾化學獎揭曉！「基因剪刀」編輯方法獲獎
新浪科技訊 北京時間10月7日消息，2020年諾貝爾化學獎授予了Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna，這兩位科學家開發了基因技術中最銳利的工具之一：CRISPR/Cas9基因編輯技術。該技術也被稱為「基因剪刀」。利用這一技術，研究人員可以極其精確地改變動物、植物和微生物的DNA。這項技術對生命科學產生了革命性的影響，可以幫助研究者開發新的癌症療法，並使治癒遺傳疾病的夢想成為現實。
科學的吸引力之一在於其不可預測性——你永遠不可能事先知道一個想法或問題會將你引向何處。對於一個充滿好奇心的人，有時會遇到死胡同，有時則會遇到一個充滿障礙、需要數年才能走完的迷宮。但是，正是通過一次次探索，我們才能看到無限的可能。
CRISPR-Cas9基因編輯技術就是這樣一個具有驚人潛力的意外發現。當Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna開始研究鏈球菌的免疫系統時，她們的一個想法是或許能夠開發出一種新的抗生素。然而，最終她們卻發現了一種分子工具，可以在遺傳物質上進行精確的切割，使修改生命密碼成為可能。
影響重大的分子工具
在她們的發現僅僅8年之後，這些「基因剪刀」已經重塑了生命科學。通過這種技術，生物化學家和細胞生物學家現在可以很容易地研究不同基因的功能，以及它們在疾病進展中的可能作用。
在植物育種中，研究人員可以賦予植物特殊的性狀，比如在更溫暖的氣候下抵禦乾旱的能力。在醫學方面，這個基因編輯器正在為新的癌症療法和最早嘗試治癒遺傳疾病的研究做出貢獻。CRISPR-Cas9的潛力幾乎是無窮無盡的，但其中也包括一些不道德的應用。與所有強大的技術一樣，這些「基因剪刀」需要加以管理，這方面之後將詳細介紹。
2011年，無論是Emmanuelle Charpentier還是Jennifer Doudna，都不知道她們在波多黎各一家咖啡館的第一次見面會如何改變她們的一生。我們的介紹將從Charpentier開始，她最初提出了合作的建議。
Charpentier對致病菌的興趣
在有些人眼中，Emmanuelle Charpentier充滿激情、認真細心並且十分投入。還有人說，Charpentier總是在尋找意想不到的東西。她自己，則引用路易斯巴斯德（Louis Pasteur）的話，「機會青睞有準備的人」。對新發現的渴望，以及對自由和獨立的嚮往主導著她的研究道路，包括她在巴黎巴斯德研究所的博士學業。她還曾在5個國家的7個城市生活過，在十個不同的機構工作過。
儘管所處的環境和研究方法都發生了變化，但她的大部分研究都有一個共同點：致病菌。這些微生物為什麼如此富有侵略性？它們如何發展出抗生素耐藥性？有沒有可能找到新的治療方法來阻止它們？
2002年，當Emmanuelle Charpentier在維也納大學成立自己的研究小組時，她把重點放在了對人類危害最大的一種細菌：化膿性鏈球菌（學名：Streptococcus pyogenes）。每一年，這種病菌會感染數百萬人，往往導致一些容易治療的感染症狀，如扁桃體炎和膿皰炎。然而，它也會導致危及生命的敗血症，並破壞體內的軟組織，因此又被稱為「噬肉者」。
為了更好地了解化膿性鏈球菌，Charpentier開始深入研究這種細菌的基因是如何調控的。這一決定是「基因剪刀」發現之路上的第一步，而當我們繼續追溯這條道路時，我們會了解更多關於Jennifer Doudna的信息。因為當Charpentier對化膿性鏈球菌進行仔細研究時，Doudna第一次聽到了一個縮寫，聽起來很像「crisper」。
偵探小說般的科學故事
作為一個在夏威夷長大的孩子，Jennifer Doudna有著強烈的求知慾。一天，她的父親把詹姆斯·沃森的書《雙螺旋》（The Double Helix）放在她的床頭。這是一個關於詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克裡克如何解決DNA分子結構的故事，如同偵探小說般有趣，和她在學校教科書裡讀到的完全不同。她被科學探索的過程所吸引，並意識到科學不僅僅是事實。
然而，當Doudna開始嘗試解決科學謎題時，她的注意力並不在DNA上，而是另一種遺傳分子：RNA。2006年，她在加州大學伯克利分校領導一個研究小組，已經有20年的RNA研究經驗。她是一位成功的研究者，以擅長突破性的研究項目著稱。後來，她進入了一個令人興奮的新領域：RNA幹擾（RNA interference）。
多年來，研究人員一直認為他們已經十分了解RNA的基本功能，但突然間，他們發現了許多小的RNA分子在幫助調節細胞中的基因活動。2006年，由於在RNA幹擾方面的研究，Jennifer Doudna接到了一位同事的電話。
攜帶古老免疫系統的細菌
那位微生物學家同事告訴Doudna一項新的發現：研究人員比較了不同細菌和古菌的遺傳物質，發現一類保存得非常之好的重複DNA序列。同樣的基因片段一遍又一遍地出現，但是在重複的過程中，有一些獨特的序列發生了變化（圖2），就像同一單詞在一本書的每一個獨特的句子中被不斷重複。
這些重複片段的排列稱為「常間回文重複序列叢集」（clustered regularly interspaced short palindromic repeats），縮寫為CRISPR。有趣的是，CRISPR中獨特的、非重複的序列似乎與多種病毒的遺傳密碼相匹配。因此目前的觀點認為，這是一個古老免疫系統的一部分，可以保護細菌和古菌免受病毒的傷害。科學家假設，如果一個細菌成功地從病毒感染中存活下來，它就會在其基因組中加入一段病毒的遺傳密碼，作為感染的「記憶」。
Doudna的同事稱，還沒有人知道這一切是如何運作的，但據推測，細菌用來中和病毒的機制可能類似於Doudna的研究：RNA幹擾。
Doudna描繪的複雜機制
這個消息非常激動人心。如果細菌確實有一個古老的免疫系統，那就意味著極其重大的意義。Jennifer Doudna對這方面的分子生物學產生了興趣，她開始學習一切有關CRISPR系統的知識。
後來，在CRISPR序列之外，研究人員還發現了一種特殊的基因，他們稱之為「CRISPR關聯基因」（CRISPR-associated），簡稱cas。在Doudna看來，很有趣的一點是，這些基因與已知編碼專門用於解開和切割DNA的蛋白質的基因非常相似。那麼，Cas蛋白質有同樣的功能嗎？它們能切割病毒DNA嗎？
Doudna讓她的研究小組開始這方面的工作。幾年後，他們成功揭示了多種Cas蛋白質的功能。與此同時，其他大學的一些研究小組也在研究新發現的CRISPR/Cas系統。他們的研究結果顯示，細菌的免疫系統可以採取非常不同的形式。Doudna研究的CRISPR/Cas系統屬於第一型；這是一種複雜的機制，需要許多不同的Cas蛋白質來解除病毒的武裝。第二型系統則非常簡單，因為所需要的蛋白質更少。在世界的另一個地方，Emmanuelle Charpentier剛剛發現了這樣一個系統。讓我們再回到她的故事線上。
CRISPR系統謎題中新的未知部分
2009年，Emmanuelle Charpentier已經離開了維也納，在瑞典北部的于默奧大學找到了一個職位，並得到了很好的研究機會。有人告訴她，這個地方太過偏遠，但漫長、黑暗的冬天使她得到了足夠的安寧，可以心無旁騖地從事研究工作。
Charpentier對能夠調控基因的小型RNA分子也很感興趣，她與柏林的研究人員合作，繪製了化膿性鏈球菌中的小RNA序列。這個結果讓她思考了很多，因為這種細菌中大量存在的一個小RNA分子是某種未知的變體，而這種RNA的遺傳密碼非常接近細菌基因組中特殊的CRISPR序列。
二者之間的相似性使Charpentier懷疑它們之間存在聯繫。她對二者的遺傳密碼進行了仔細分析，揭示了未知小RNA分子的一部分與CRISPR重複的部分相匹配。這就如同兩塊拼圖可以完美地拼接在一起（圖2）。
Charpentier從未使用過CRISPR，但她的研究小組開始進行一些深入的微生物檢測工作，以繪製化膿性鏈球菌的CRISPR系統。這個系統屬於第二型，已知只需要一個Cas蛋白「Cas9」就可以裂解病毒DNA。Charpentier發現，被稱為「反向活化crispr RNA」（tracrRNA）的未知RNA分子也具有決定性的作用；由基因組中的CRISPR序列生成的長RNA轉變為活性形式時（見圖），必須要用到tracrRNA。
鏈球菌對抗病毒的自然免疫系統：CRISPR/Cas9
當病毒感染細菌時，它們會將有害的DNA送入其中。如果細菌在感染中倖存下來，它就會在基因組中插入一段病毒DNA，這就像對病毒的記憶一樣。然後這些DNA會被用來保護細菌免受新的感染。
1、細菌將一段病毒DNA插入基因組的CRISPR部分，每個病毒DNA之間都有一段重複序列；
2、CRISPR經過複製，生成一個長RNA分子；
3、「反向活化crispr RNA」（tracrRNA）與CRISPR RNA的重複部分相匹配，就像兩塊完美拼接的拼圖。當tracrRNA與CRISPR RNA連接時，蛋白Cas9也與整個複合體連接。之後，這個長的分子就被一種名為「Ⅲ型RNA酶」的蛋白質剪切成小段；
4、基因剪刀包含來自單個病毒的遺傳密碼。如果細菌被相同的病毒再次感染，基因剪刀會立即識別病毒，並通過對其進行剪切來解除它的武裝。
2011年3月，Emmanuelle Charpentier發表了有關tracrRNA的發現。她知道自己正在做一件非常令人興奮的事情。她在微生物學方面有多年的經驗，而在對CRISPR-Cas9系統的持續研究中，她也希望與一位生物化學家合作。Jennifer Doudna是很自然的選擇。因此那年春天，當Charpentier被邀請去波多黎各參加一個會議來講述她的發現時，她的目標之一，便是去會見這位加州大學伯克利分校的研究者。
波多黎各咖啡館裡改變一生的會面
巧的是，會議第二天，她們在一家咖啡館裡又碰面了。Doudna的同事介紹了兩人互相認識。次日，Charpentier提議，一起去探索一下首都這座城市的老城區。在沿著鵝卵石鋪就的街道漫步時，她們開始交流自己的研究。Charpentier想知道，Doudna對合作有沒有興趣——願不願參與研究化膿性鏈球菌的簡單第二型系統中的Cas9功能？
Jennifer Doudna對此十分感興趣，然後他們和自己的同事們通過數字會議為項目制定了計劃。他們猜測，識別病毒的DNA時需要CRISPR-RNA，而Cas9則是剪切DNA分子的那把剪刀。但是，當他們在試管內進行測試時，卻什麼也沒有發生。
DNA分子依舊保持完整。為什麼呢？是實驗條件有問題嗎？還是Cas9的功能完全不一樣？經過大量頭腦風暴和無數次失敗的實驗後，研究人員終於在他們的測試中加入了tracrRNA。之前，他們認為，只有在將CRISPR RNA切斷成活性形式時才會需要tracrRNA（圖2）。但是，Cas9一旦接觸到tracrRNA，眾人期待的結果發生了：DNA分子被剪切成兩部分。
進化解決方案經常使研究人員感到驚訝，但這一次更非同尋常。鏈球菌早已形成的用來抵禦病毒的武器是如此簡單有效，甚至十分出色。基因剪刀的歷史或許可能就止於此；但Charpentier和Doudna在一種給人類帶來巨大困擾的細菌中發現了一種基本機制。這一發現本身令人驚訝，然而機會總是偏愛有準備的人。
劃時代的實驗
研究人員決定試圖簡化基因剪刀。基於他們對tracrRNA和CRISPR-RNA所掌握的新知識，他們找到了將兩者合成一個分子的方法，並把這個分子稱為「引導RNA」（guide RNA）。藉助這個簡化的基因剪刀變體，他們隨後做了一個劃時代的實驗：他們想弄清楚，他們是否可以控制這個基因工具以便在研究人員自己指定的位置剪切DNA。
等到這個時候，研究人員知道，他們即將解鎖一項重大突破。他們從Doudna的實驗室冷庫中取出一個基因，並選擇了五個不同的需要剪切的位置。然後，他們更改了基因剪刀的CRISPR部分，以使其編碼匹配需要剪切的位置（圖3）。實驗的結果令人興奮。DNA分子在準確的位置上被精確剪切。
CRISPR/Cas9基因剪刀
當研究人員打算使用基因剪刀編輯基因組時，他們首先人工構建一個引導RNA，該引導RAN與需要剪切的DNA編碼相匹配。剪刀的蛋白質Cas9與引導RNA形成複合物，然後將剪刀帶到基因組中需要進行剪切的位置。
A：研究人員可以讓細胞自身去修復DNA中的切口。在大多數情況下，這會導致基因的功能關閉。
B：如果研究人員想要插入、修復或編輯一個基因，他們可以為此專門設計一個小的DNA模板。細胞在修復基因組中的切口時，會使用該模板，從而改變基因組中的編碼。
基因剪刀改變生命科學
2012年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna發布她們的CRISPR/Cas9基因剪刀發現後不久，數個研究小組便證明，該工具可用於修飾小鼠和人類細胞中的基因組，從而促進了爆炸性發展。之前，改變細胞、植物或微生物中的基因非常耗時，有時甚至是不可能的。使用了基因剪刀後，研究人員原則上可以任意剪切基因組。此後，他們可以非常容易地利用細胞自身的DNA修復系統，來重寫生命編碼（圖3）。
由於這種基因工具非常容易使用，因此它在基礎研究中得到了廣泛了應用。它可以用於改變細胞和實驗動物的DNA，以了解不同基因的功能和相互作用（比如在疾病的發展過程中）。
基因剪刀如今也成為植物育種的一個標準工具。研究人員以前用來修飾植物基因組的方法通常需要添加抗生素抗性基因。種植農作物時，這種抗生素抗性可能會擴散至周圍的微生物。但有了基因剪刀之後，研究人員再也無需使用先前的方法，現在他們可以精準地更改基因組。他們編輯了控制水稻吸收土壤中重金屬的基因，從而改良水稻品種，降低鎘和砷的含量。研究人員還開發出能夠在溫暖的氣候下更好地抵禦乾旱、抵抗昆蟲害蟲的作物。原本，這些昆蟲害蟲只能用農藥來處理。
治癒遺傳疾病的希望
在醫學上，基因剪刀也為癌症的新免疫療法帶來希望，正在進行中的試驗或可使治癒遺傳疾病的夢想成真。研究人員已經在進行臨床試驗，以研究他們是否可以使用CRISPR/Cas9來治療鐮狀細胞性貧血和乙型地中海型貧血等血液疾病以及遺傳性眼疾。
研究人員還在開發修復大腦和肌肉等大型器官中基因的方法。動物試驗表明，經過特殊設計的病毒可以將基因剪刀送到所需的細胞內，從而治療致命性遺傳疾病（如肌肉營養不良、脊髓性肌肉萎縮和亨丁頓舞蹈症）。但是，該技術在應用到人類身上之前仍需進一步改善。
基因剪刀的力量需要監管
在這種種好處之外，基因剪刀也有可能被濫用。比如，基因剪刀可被用來創造經過基因修飾的胚胎。但是，多年來，基因工程的應用一直在法律和法規的監管之下，包括禁止修飾可遺傳的人類基因。另外，對於涉及人類和動物的實驗，實驗進行之前須先經過倫理委員會的審查並獲得批准。
可以肯定的是：基因剪刀會影響到我們每一個人。我們將面臨新的道德問題，但是這種新工具也有望解決人類目前面臨的諸多挑戰。通過她們的發現，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna帶來了一種讓生命科學走向新時代的化學工具。她們讓我們得以遠眺未來的無限可能，並且在探索這一片新大陸的過程中，我們一定還會有更多意外的發現。