基因編輯獲2020諾貝爾化學獎 華裔科學家張鋒未當選

出品：科普中國

製作：基因組所多米諾基因科普協會

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

10月7日，2020年諾貝爾獎的最後一個自然科學獎項——化學獎被揭曉，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德納（Jennifer Anne Doudna）獲得了這一獎項，獲獎原因是開發了一種基因組編輯的方法。

△圖片來源：諾貝爾獎官方網站

有些遺憾的是，對CRISPR-Cas9的發展和應用做出貢獻的華裔科學家張鋒不在獲獎名單中。

CRISPR/Cas9技術

CRISPR/Cas9是繼「鋅指核酸內切酶（ZFN）」、「類轉錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）」之後出現的第三代「基因組定點編輯技術」。所謂「基因編輯技術」，就是能夠讓人類對目標基因進行「編輯」，實現對特定DNA片段的敲除、加入的一項技術。

與前兩代技術相比，CRISPR/Cas9具有成本低、製作簡便、快捷高效的優點，於是它迅速風靡於世界各地的實驗室，成為科研、醫療等領域的有效工具。

△CRISPR/Cas9被稱作「基因魔剪」（圖片來源：諾貝爾官方網站）

CRISPR/Cas9系統的工作原理

那麼，這麼厲害的技術，是如何操作的呢？

在細菌的基因組上，存在著串聯間隔排列的「重複序列」，這些重複序列相對保守，我們稱之為CRISPR序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的規律間隔的短回文重複序列）。

1.「記錄」入侵者檔案

其中的「間隔序列」來源於病毒或外源質粒的一小段DNA，是細菌對這些外來入侵者的「記錄」。

△CRISPR序列示意圖（其中，菱形框表示高度可變的間隔序列，正方形表示相對保守的重複序列）

病毒或外源質粒上，存在「原間隔序列」，「間隔序列」正是與它們互相對應。「原間隔序列」的選取並不是隨機的，這些原間隔序列的兩端向外延伸的幾個鹼基往往都很保守，我們稱為PAM（Protospacer adjacent motifs-原間隔序列臨近基序）。

當病毒或外源質粒DNA首次入侵到細菌體內時，細菌會對外源DNA潛在的PAM序列進行掃描識別，將臨近PAM的序列作為候選的「原間隔序列」，將其整合到細菌基因組上CRISPR序列中的兩個「重複序列」之間。這就是「間隔序列」產生的過程。

2、打擊二次入侵者

當外源質粒或病毒再次入侵宿主菌時，會誘導CRISPR序列的表達。同時，在CRISPR序列附近還有一組保守的蛋白編碼基因，稱為Cas基因。CRISPR序列的轉錄產物CRISPR RNA和Cas基因的表達產物等一起合作，通過對PAM序列的識別，以及「間隔序列」與外源DNA的鹼基互補配對，來找到外源DNA上的靶序列，並對其切割，降解外源DNA。這也就實現了對病毒或外源質粒再次入侵的免疫應答。

正是基於細菌的這種後天免疫防禦機制，CRISPR/Cas9技術應運而生，從而使科學家們利用RNA引導Cas9核酸酶實現對多種細胞基因組的特定位點進行修飾。

CRISPR/Cas9技術在基因敲除中的實現過程

如下圖所示，在待敲除基因的上下遊各設計一條嚮導RNA(嚮導RNA1，嚮導RNA2)，將其與含有Cas9蛋白編碼基因的質粒一同轉入細胞中，嚮導RNA通過鹼基互補配對可以靶向PAM附近的目標序列，Cas9蛋白會使該基因上下遊的DNA雙鏈斷裂。

對於DNA雙鏈的斷裂這一生物事件，生物體自身存在著DNA損傷修復的應答機制，會將斷裂上下遊兩端的序列連接起來，從而實現了細胞中目標基因的敲除。

△CRISPR/Cas9技術敲除掉部分基因原理圖（繪圖肖媛）

而DNA片斷的插入或定點突變的實現，只需在此基礎上為細胞提供一個修復的模板質粒，這樣細胞就會按照提供的模板在修復過程中引入片段插入或定點突變，對受精卵細胞進行基因編輯，並將其導入代孕母體中，可以實現基因編輯動物模型的構建。

△CRISPR/Cas9技術插入新基因原理圖（繪圖肖媛）

CRISPR/Cas9技術的應用

利用基因編輯技術CRISPR/Cas9，科學家們做出了許多成果。比如，北京希諾谷生物科技有限公司用此技術培育出比格犬「龍龍」，它成為我國首例完全自主培育的體細胞克隆犬，也是世界首例基因編輯克隆犬。

△世界首例基因編輯克隆犬「龍龍」（圖片來源科技日報）

除此以外，來自美國、中國、丹麥研究機構的科學家憑藉此技術成功克隆出世界上第一批不攜帶活性內源性逆轉錄病毒（PERVs）的豬，克隆豬將來可以滿足人類器官移植的需要。

隨著對CRISPR系統認識的加深，實驗設計的優化改造，我們相信CRISPR/Cas9以及其衍生技術終究會帶來一場科學史上的巨大變革。期待在不久的將來，CRISPR/Cas9所帶來的巨大轉變必將能夠惠澤萬家。