實至名歸!CRISPR基因編輯系統為生物技術領域提供無限可能

2021-01-08 瀟湘晨報

來源:藥明康德

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,這一革命性的發現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])

地中海邊的神奇發現

CRISPR基因編輯系統的故事還要從一座名為聖波拉(Santa Pola)的地中海小城說起。30年前,一位名為Francisco Mojica的年輕人在當地的一所大學開始攻讀博士學位,而他的研究對象,就是聖波拉海灘上發現的一種古細菌。

▲CRISPR基因編輯的誕生,離不開Francisco Mojica教授的發現(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象——這些微生物的基因組裡,存在許多奇怪的「回文」片段。這些片段長30個鹼基,而且會不斷重複。在兩段重複之間,則是長約36個鹼基的間隔。對於這種具有規律性的重複,Mojica後來給它起了一個拗口的名字「常間回文重複序列簇集」(Clustered Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeats)。不過它的縮寫好記多了,它就是本文的主角CRISPR。

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

▲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裡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後,他又發現大約另外20多種微生物裡,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」

為了尋找CRISPR序列的功能,Mojica教授每天都在資料庫裡痛苦地搜索,想要發現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教授發現,一些大腸桿菌內的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何其相似!在人體裡,免疫系統會記住過去遇到過的病原體的模樣。等到病原體入侵時,就會對其發起攻擊。而在大腸桿菌細胞內,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。

▲一種微生物體內的CRISPR系統的工作原理(圖片來源:參考資料[2])

為了這一刻,Mojica教授已經等待了18個月的漫長時光。興奮的他在2003年向《自然》雜誌投去了他的研究結果。很快,《自然》的編輯以「早就知道了」為由,拒絕發表這項研究。不久後,《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。再之後,Molecular Microbiology與Nucleic Acid Research兩本期刊也給Mojica教授發了拒信。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,這篇論文還是經過了長達一年的修改和審核,才最終得以發表。此時,已是2005年2月。

切開DNA的魔剪

在接下來的幾年裡,科學家們對CRISPR序列的作用做了進一步的完善,並闡明了它的詳細機理。原來在病毒感染細菌後,CRISPR序列會喊來幫手,形成一個具有核酸切割能力的複雜結構,並最終切斷病毒的DNA。對於細菌來說,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」,讓他們看到了精準切割DNA的希望!或許,它能被開發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》雜誌上發表了她們的發現,確認她們所設計的CRISPR-Cas9基因編輯系統(Cas9是一種能切割DNA的內切酶)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,對基因組進行編輯。

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

這裡還有一個小插曲。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》雜誌的編輯所拒,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。

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

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

發展與爭議

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化與改造。一方面,現在的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系統也已經超越了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,科學家們基於CRISPR體系,已經開發出了「單鹼基」基因編輯系統,能夠對基因進行「微調」。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「單鹼基」基因編輯系統,就好像是把書頁上的錯別字給單獨修改,有著更高的精度。

▲和CRISPR或Cas9有關的論文數近年來呈指數上升(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。

我們在這裡也強調,隨著時代的發展,當今科學的突破性進步,往往不再依賴一兩名科學家的「尤裡卡時刻」,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展。在這裡,我們也向這些科學家們致以崇高敬意!

本文題圖:123RF

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

【來源:新浪滾動】

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