美中長木丨CRISPR基因編輯系統獲2020年諾貝爾化學獎

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！