特稿｜追問諾獎：張鋒因何錯失化學獎？

10 月 7 日，2020 年諾貝爾化學獎頒給了德國馬克斯 - 普朗克病原體科學研究所主任埃曼紐爾 · 卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和美國加州大學伯克利分校教授、霍華德 · 休斯醫學研究所研究員詹妮弗 · 杜德納（Jennifer Doudna），獲獎理由是開發了基因編輯技術 CRISPR/Cas9。CRISPR/Cas9 又稱基因魔剪。

其中 CRISPR 的含義是「規律間隔成簇短回文重複序列」，Cas9 酶則是能夠切割 DNA 鏈的「剪刀」。該酶可以在特定位點對 DNA 進行切割，從而進行 DNA 插入和編輯。

諾獎組委會將 CRISPR/Cas9 稱作基因技術中最銳利的工具之一，它可以精確改變動植物和微生物的 DNA。相對於此前的基因技術，CRISPR/Cas9 更便捷、更便宜。

基因編輯光環背後懸疑一地：

明星科學家張鋒為何與諾獎擦肩而過？他究竟有沒有資格獲獎？

基因編輯距離我們的生活還有多遠？

中美爭端背景下，擁有核心專利的美國會不會讓基因編輯技術成為制約中國發展的另一種「晶片？

背後英雄，不止張鋒

按照賓夕法尼亞州立大學教授、從事植物基因工程研究的楊亦農的說法，卡彭蒂耶和杜德納的工作並非從零到一，而是有眾多他人的鋪墊工作，二人更多是完成了臨門一腳，並且完成得比較漂亮。

圖 | 德國馬克斯-普朗克病原體科學研究所主任埃曼紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier，右）和美國加州大學伯克利分校教授、霍華德·休斯醫學研究所研究員詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna，左）2016年在一起。（來源：Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA）

CRISPR 的發現起源於西班牙阿利坎特大學的微生物學家弗朗西斯科 · 莫伊卡（Francisco Mojica）。1993 年，莫伊卡在古細菌中發現了獨特的重複 DNA 序列，隨後他們又發現類似序列在原核生物中廣泛存在；並且能夠感染細菌的噬菌體中含有 CRISPR 的間隔序列。

科學家由此推測，CRISPR 可作為細菌的免疫系統來防禦病毒入侵。隨後多個研究團隊認識到，CRISPR 可以編程並切割其它 DNA 片段。2012 年，卡彭蒂耶和杜德納在《科學》雜誌（Science）發表論文指出，細菌用以對抗病毒的 CRISPR/Cas9 系統可以作為簡單、靈活的基因組編輯工具。

其實，立陶宛維爾紐斯大學維吉尼亞斯 · 斯克斯尼斯（Virginijus Siksnys）也獨立開發了 CRISPR 基因編輯技術，展示了如何指示 Cas9 酶切割 DNA 序列。遺憾的是，其研究在 2012 年 4 月被《細胞》（Cell）拒稿，最終發表在《美國國家科學學院院刊》（PNAS），比卡彭蒂耶和杜德納在《科學》論文晚發表了兩個多月。

2013 年，張鋒團隊在《科學》雜誌發表論文表示，用新的 CRISPR–Cas9 系統可以精確編輯人類和小鼠細胞的基因組。

2017 年 8 月，美國醫學科學最高獎阿爾伯尼生物醫學獎頒給了基因編輯技術。卡彭蒂耶、杜德納、莫伊卡、張鋒以及洛克菲勒大學細菌學實驗室副教授盧西亞諾 · 馬拉夫尼（Luciano Marraffini）博士獲獎。馬拉夫尼是阿根廷人，他證明了 CRISPR 作用於 DNA 靶標。

有意思的是，這些學者既是隊友又是對手。2013 年，杜德納與張鋒、丘奇共同創立了醫藥公司 Editas Medicine 以開發基於 CRISPR 的藥物。杜德納與丘奇還參與了另一家醫療公司 Intellia。

同時，杜德納與張鋒分別所屬的機構在激烈爭奪真核細胞中 CRISPR 技術的專利優先權。

如今，楊亦農的一個德國博士在杜德納實驗室做博士後。楊亦農說，其實這幾個人私下關係還不錯，「至少在開會的時候看起來還好」。

張鋒的遺憾

諾獎漏掉的英雄人物眾多，但張鋒是其中備受關注的那個。《自然》雜誌（Nature）的報導也稱，張鋒錯失諾獎是最大的意外之一。

至於張鋒為何錯失諾獎，業內有多個解讀。

哈佛大學遺傳學教授喬治 · 丘奇（George Church）也在同一時期做了對人類細胞 DNA 進行編輯的工作。《自然》雜誌引述他的看法稱，諾獎委員會的選擇是沒問題的，這些英雄人物並沒有因為錯失諾獎而被輕視。不過，他認為諾獎更加青睞發現而非發明，而他和張鋒的工作更接近發明。

這個說法曾被多次驗證過。儘管張鋒也多次獲得了基因編輯技術有關的獎項，但 2015 年的《科學》雜誌生命科學突破獎、2016 年的阿爾珀特獎、2020 年 1 月的沃爾夫科學藝術獎均頒給了卡彭蒂耶和杜德納，而未頒給張鋒。

另一個因素可能是化學獎更看重體外試驗。楊亦農從事基因工程研究，他告訴 DeepTech，卡彭蒂耶和杜德納的研究涉及核酸酶分解 DNA，更多是生物化學範疇，是體外試驗，這與生理學或醫學相距甚遠，而張鋒的研究則是哺乳動物的細胞內研究。

不過這也有意外。1962 年諾貝爾生理學或醫學獎就頒給了 DNA 分子雙螺旋結構的發現。所以楊亦農的看法是，儘管上述看法都有一定依據，但張鋒仍然是有資格獲獎的，畢竟 CRISPR 技術在哺乳動物體內的應用是巨大的一步。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞是基因編輯技術研究的代表人物之一，她的看法是，卡彭蒂耶和杜德納獲獎是毫無異議的，諾獎最多只能給 3 個人，莫伊卡、馬拉夫尼和張鋒都可以是備選，甚至與張鋒工作接近的丘奇也爭議不大，那麼諾獎組委會可能就寧願選擇最無爭議的卡彭蒂耶和杜德納組合。

今年 66 歲的丘奇給了 「80 後」 的張鋒很高評價：他還很年輕且創意無限，至於諾獎，未來可期。

基因編輯產品越來越近

美國做植物基因編輯的重鎮是明尼蘇達大學和楊亦農所在的賓夕法尼亞州立大學。

楊亦農利用 CRISPR/Cas9 技術開發出了抗褐變的雙孢蘑菇，這個研究過程只用了 2 個月，並且花費很少，不算人力成本的話費用不到 1 萬美元。賓夕法尼亞州立大學技術管理辦公室已協助楊申請了專利，並成功地將專利授權給了一家大型農業生物技術公司。《大眾科學》雜誌（Popular Science magazine）將基因編輯的蘑菇評為 2016 年「最佳新事物」。

圖 | 楊亦農的基因編輯抗褐變蘑菇。（來源：楊亦農實驗室）

2016 年，美國農業部宣布楊亦農的抗褐變蘑菇不用接受監管，這是該機構首次為 CRISPR 編輯生物體開綠燈，因其不包含來自病毒或細菌的外來 DNA。

2019 年年初，總部位於明尼蘇達州的 Calyxt 公司宣布，其基因編輯大豆油在 3 月 1 日上市銷售，其大豆油含有高達 80% 的油酸，20% 的飽和脂肪酸，且不含反式脂肪酸。該公司的首席科學家是美國明尼蘇達大學植物生物學家丹尼爾 · 沃伊塔斯（Dan Voytas），他還利用基因編輯技術開發出耐冷藏、同時可減少烹飪時產生致癌物質的土豆。

動物基因編輯產品也已經誕生。美國 Recombinetics 公司於 2013 年使用了質粒進行基因編輯操作，將攜帶基因編輯工具 TALENs 和涉及無角的基因變異的質粒植入細胞，編輯後的細胞用於克隆，之後就產生了兩頭無角牛。通過檢測，這些基因編輯牛都無角，且不存在其他症狀。

圖 | 基因編輯而來的無角牛。牛角本來是用來禦敵的，但在如今的農場裡，牛角就失去了歷史上的作用。相反，牛角常常會對其他牛或養殖工人造成傷害，於是農場主都會給幼牛進行去角處理，大都是直接削去幼牛頭上的嫩角，然後灼燒止血。可以想像，幼牛的痛苦是非人道的，另外這種處理的成本也很高。所以，如果能培育一種無角牛，對農場主和普通民眾都是眾望所歸。（來源：麻省理工科技評論）

楊亦農認為，中國的植物基因編輯發展比美國還要快，一些技術上的改進也做得不錯，中國科學院分子植物科學卓越創新中心朱健康團隊和高彩霞團隊就是其中代表。

高彩霞利用最新的基因組編輯技術，首次在六倍體小麥中對 MLO 基因的 3 個拷貝同時製造突變，使小麥對白粉病具有了廣譜抗性。白粉病是一種嚴重影響小麥產量和品質的小麥真菌病。這項成果入選《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）2016 年十大技術突破。

朱健康團隊實現了 CRISPR/Cas9 系統在植物基因組中的高效定點編輯。就在今年 7 月，朱健康研究組在水稻基因打靶技術上取得重大突破，他們在水稻上建立了一種高效的片段靶向敲入和替換技術，高至 50% 的靶向敲入效率將極大地方便植物的研究和育種。相關研究成果在線發表於國際頂級生物技術期刊《自然 - 生物技術》（Nature Biotechnology）。

中國尚未出臺明確的基因編輯產品監管政策，而美國的基因編輯監管政策相對明確且寬鬆。2018 年 3 月，美國農業部表示不會對使用一些新技術育種的農作物進行監管，其中包括基因編輯技術。在美國，只有由細菌等植物病原體或其 DNA 構建的轉基因作物是被管制的，而基因編輯作物不會受到監管。

不過，楊亦農的基因編輯蘑菇的產業化並不是很順利。一個大的背景是，美國許多農產品要出口到歐洲，而歐洲對於基因編輯技術是按照轉基因技術來嚴格監管的，所以這就阻礙了美國基因編輯植物產品的開發。即便在美國當地，蘑菇公司也更願意種植所謂的有機蘑菇，可以賣更高的價格。

即使是楊亦農做的水稻研究也不是很順利。因為他是在商業化水稻品種上進行的基因編輯工作，一些人擔心基因漂移而拒絕其進行田間試驗。

基因編輯動物的明星無角牛同樣遇到了麻煩。2019 年，美國 FDA 的科學家研究了 Recombinetics 公司的一頭無角牛發現，這頭牛體內存在一段細菌 DNA，是具有抗生素抗性的基因片段。根據轉基因生物產品的定義，只要產品中出現質粒 DNA，就意味著這種產品應該被視作轉基因產品。

不過，業內的看法是，這種無角牛即使有質粒 DNA 汙染，也不必擔心食品安全問題。

如今醫學家正在推進基因編輯技術在遺傳病中的應用，例如鐮狀細胞病和遺傳性失明。必須指出的是，CRISPR 技術可改變人類遺傳，那麼涉及胚胎的編輯也就成為最具爭議的議題之一。賀建奎的基因編輯嬰兒試驗在業界淪為千夫所指。

基因編輯會被卡脖子嗎？

加州大學和博德研究所相關專利爭奪戰持續了 6 年，最終花落博德研究所。那麼基因編輯技術的專利壁壘會不會遏止中國生物技術的發展？鑑於手機晶片目前的遭遇，這個擔憂似乎不無道理。

然而業內並不是太擔心。從事科技法研究的北京大學教授劉銀良對 DeepTech 表示，生物技術尤其是 CRISPR/Cas9 技術更容易為人掌握，一般的實驗室都能掌握，而中國的科學家已經在基因編輯技術上做了很多發展，並獲得了許多新的專利。這些專利在技術上都是公開的，複製就不是難題，而手機晶片在技術上難以複製。

高彩霞也沒有這個擔憂。她說，一項相關研究工作遠遠不是一個專利能搞定的，需要一個專利池，「專利套著專利」，即使張鋒做研究也無法脫離其他人的專利，所以「美國人有必要這樣做嗎」？

楊亦農的看法也接近。他認為，中國的生物技術研究實力，尤其是在基因編輯領域，並不比美國弱，在植物學領域發表的論文甚至要比美國多不少。

中國可以對一些美國專利不授權甚至是強制授權，那麼國內相關產品的開發就不受限於這些專利。

劉銀良唯一的擔心是，美國方面能施壓的手段，可能是拒絕進口中國的基因編輯產品。

為什麼張鋒沒有獲得 2020 年諾貝爾化學獎？他對 CRISPR 基因編輯技術貢獻有多大？

在本文刊發之際，史丹福大學醫學院助理教授叢樂也在知乎上發文，分析為什麼張鋒沒有獲得 2020 年諾貝爾化學獎？以及他對 CRISPR 基因編輯技術的貢獻。

叢樂本科在清華生物系/電子系師從饒子和院士學習，後到哈佛大學醫學院讀博士，是博德研究所張鋒實驗室的第一個學生，畢業後在麻省理工學院Aviv Regev教授指導下完成博士後。2013年，他所在的團隊發表了人類細胞CPISPR基因編輯的突破性論文，叢樂為一作。

因與張鋒的淵源，叢樂在文前特意做了利益相關聲明：博士期間從2011年開始在張鋒實驗室做CRISPR研究，我們的工作首次實現了人類細胞中的CRISPR基因編輯（論文最終發表於2013年），也是一部分相關基因編輯專利申請中的共同發明人（CRISPR一系列專利存在爭議，法律範疇無法評論）。希望分享一些自己的科研經歷，不代表官方言論。

現DeepTech獲得叢樂授權，轉發此文。

圖|叢樂（來源：DeepTech）

首先祝賀CRISPR基因編輯技術和兩位獲獎科學家的工作獲得了諾貝爾獎的認可。

1. CRISPR基因編輯的起點：和很多改變我們生活的重大發現一樣，開始時經常是少數人，在孤獨寂寞中的堅持與努力。其他知乎大號/知乎大神答案中所陳述的，日本，西班牙，匈牙利，奧地利，美國等早期研究組從1993年到2011年的一系列研究發現幫助我們理解了CRISPR是什麼，在細菌中如何工作等（CRISPR科研發展的時間線可以參考這篇Cell的綜述論文）。很多早期文章並不是在頂級雜誌，我剛接觸這個領域時，經常找文獻的原文都很困難，但這些都是極重要的起點研究。

（類似科學發現中的堅持，如果有興趣可以參考：誘導幹細胞iPSC，我至今還記得本科上課時清華的吳畏老師告訴我們，想法不一定沒人想到，但大部分人都沒有耐心恆心去這麼努力堅持做，也記得看到中國科學家各種幹細胞頂尖成果時的激動）。

2. 我在MIT,Harvard參與的ZFN/TALE等早於CRISPR的前一代基因編輯技術：我2009年先在George Church實驗室和張鋒、Sriram Kosuri、Paula Arlotta幾位科學家共同工作時第一次接觸到基因編輯技術。最開始，我們主要研究ZFN/TALE基因編輯技術，這是早於CRSPR的前一代基因編輯技術。2011年，我們首次在哺乳動物/人類細胞實現了TALE基因調控編輯（論文2011年發表在Nature Biotechnology），而同期Miller等人的論文也開發了類似的TALEN技術。基因編輯領域的很多工作都是多個研究組獨立進行。

3. 從2011到2014年在張鋒實驗室進行CRISPR基因編輯技術開發的過程

張鋒2011年初設想可以用CRISPR來代替TALE進行基因編輯。我們經過非常長期的努力和試錯，加上團隊一起合作的努力，實現了這一預想。

儘管CRISPR概念潛力巨大，在2012年之前，科學家僅在原核細胞或體外試管實驗中成功檢測到了CRISPR的編輯活性（包含本次諾獎得主們2012年的重要論文）。然而，我們最感興趣的是哺乳動物和人類細胞的基因編輯。人類細胞的結構和環境複雜度遠遠高於細菌細胞，所以在生物學歷史上，大量技術雖然適用於細菌或體外，但未能在人類細胞中實現。本屆諾獎獲得者Jennifer Doudna在採訪和其他場合提到其2012發表的獲獎論文時，表達了「techniques for making these modifications in animals and humans have been a huge bottleneck」，她們團隊當時在這個方向的嘗試遇到了 「many frustrations」（原文連結1，連結2）。

在張鋒實驗室，我們從2011年開始開發能在人體細胞進行基因編輯的CRISPR系統，積累早期的經驗，在2012期間我們終於提交了論文，最終2013年在Science發表。這篇論文與同期發表的George Church實驗室工作首次實現了CRISPR在哺乳動物細胞的編輯（這樣獨立但同時發表的研究也再次驗證了前面第2點中提到的科學正是在大家的共同努力下進步的，其實稍後發表的Keith Joung，Jin-soo Kim等的工作也同樣獨立完成而具有開創性）。

由於真核細胞中CRISPR基因編輯的複雜性和不可控性，我們這篇2013發表的工作收穫了大量的關注和廣泛祝賀。我們基於這一工作開發的基因編輯工具盒被大量實驗室和公司廣泛用於研究和基因治療中（如其他回答中提到的PX330等）。我們2013年的突破性論文目前是CRISPR基因編輯領域引用最高的文章。

這是為什麼張鋒也被學界中很多同仁期待為最可能的諾獎得主之一。

感想：兩位得獎人Emmanuelle/Jennifer實至名歸。同時，非常遺憾張鋒未能分享諾獎。和很多領域中的成果一樣，有時會有不同研究組，科學家在不同地點，相近的時間，獨立的發現/開發類似或者相關的結果。在諾獎歷史上，因為人數限制等原因，有大量的傑出科學家與諾獎失之交臂，其中有不止一位華人科學家。其他CRISPR領域的早期先驅，比如歐洲的Francisco Mojica, Virginijus Šikšnys, John Van Der Oost, 以及為基因編輯技術作出了傑出貢獻的科學家，Rodolphe Barrangou, Philippe Horvath, George Church，Paula Canon, 張鋒，David Liu，Keith Joung，Matthew Porteus, Charles Gersbac等等亦做出了開創性工作。