兩位女性科學家憑「基因魔剪」斬獲諾獎，基因編輯「一哥」張鋒為何與之無緣？

來源：21新健康（Healthnews21）原創作品

作者：唐唯珂

實習生：潘展鵬

編輯：李欣夷

圖片來源：視覺中國

北京時間2020年10月7日下午，諾貝爾獎化學獎正式揭曉，加州大學伯克利分校教授詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）和德國馬普感染生物學研究所教授埃馬紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）成為該獎項歷史上第六、第七位女性獲得者，獲獎理由是「發明了一種基因組編輯的方法」。

諾獎委員會說道，杜德納和卡彭蒂耶開發了基因技術中最銳利的工具之一：CRISPR-Cas9「基因剪刀」。利用這項技術，研究人員可以極其精確地改變動物、植物和微生物的DNA。這將對生命科學產生革命性的影響，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。

作為這項研究的先驅女性化學家，杜德納早在2012年就和另一位科學家卡彭蒂耶率先提出了CRISPR-Cas9用於基因組的可編程編輯，被認為是生物學史上最重要的發現之一。

2014年在波多黎各的一次研究會議上，卡彭蒂耶認識了杜德納，隨後兩人一同開展研究。CRISPR-Cas9技術從默默無聞到如今獲獎，為世界所關注，是對基礎科研工作的肯定，也是對兩位女性在化學領域所作出貢獻的肯定。

01.「魔剪」CRISPR-Cas9的前世今生

CRISPR是Clustered RegularlyInterspaced Short Palindromic Repeats（成簇規律間隔短回文重複序列）的首字母縮寫，為基因組DNA上的一段特殊序列，源於細菌及古細菌中一種獲得性免疫系統，能夠識別出入侵細菌的病毒，並通過一種特殊的酶破壞入侵病毒。

早在1987年，CRISPR就被日本科學家發現，但直到杜德納和卡彭蒂耶開始研究，發現了一種名叫Cas9的蛋白，CRISPR才顯示出它作為基因組編輯工具的巨大潛力，在農業、生物醫藥和人類健康方面發揮著極大的功用。

2012年，杜德納和卡彭蒂耶在《科學》雜誌上發表了第一篇研究論文，提出兩人帶領的團隊純化了Cas9蛋白，首次在體外證明了使用Cas9的CRISPR系統可以切割任意DNA鏈，指出CRISPR在活細胞中有修改基因的能力。

科學家通過CRISPR可以高效、精確地改變、編輯或替換植物、動物甚至是人類身上的基因，經過改造的CRISPR技術被廣泛應用於農業和生物醫藥領域。由於簡單、廉價和高效，CRISPR已經成為全球最為流行的基因編輯技術，被稱為編輯基因的「魔剪」。

02.CRISPR–Cas9如何運作？

成簇、規律間隔的短回文重複序列——CRISPRs中分布著細菌從侵入體內的病毒上獲取的特殊DNA片段，用於對入侵病毒進行基因標記識別。

科學家如果想改變或去除一個基因，最先進的方法，是定製一種能找到特定DNA位點並對其進行切割的酶。每修飾一次基因，科學家都不得不設計一種新的蛋白，專門針對想要修飾的DNA序列。但杜德納和卡彭蒂耶意識到，Cas9蛋白——這種鏈球菌用於免疫防衛的酶，會用RNA來引導自己找到目標DNA。為了探測作用位點，Cas9-RNA複合物會在DNA上不停「掃描」，直到找到正確的位點。

Cas9蛋白的每次掃描，都是在搜索同一段短小的「信號」序列。Cas9會附著到DNA上，檢測鄰近序列是否和充當嚮導的RNA匹配。這種RNA叫做嚮導RNA（guide RNA，簡稱gRNA），而只有當gRNA和DNA匹配時，Cas9蛋白才會對DNA進行切割。

通過設計導向RNA，使之與細胞基因組的特定位點相結合，研究者們可以將Cas酶定位到他們感興趣的基因位點進行切開，常用的Cas酶類型是Cas9。DNA切開將引發DNA的修復，從而使我們能夠對這一興趣位點進行精確編輯。

03.CRISPR-Cas9帶來的影響與倫理問題

CRISPR-Cas9被研究人員運用在探索愛滋病、阿爾茨海默病、精神分裂症等疾病的治療方法。利用CRISPR/Cas9技術，科學家可以對人造血幹細胞進行基因編輯，由此實現讓幹細胞在動物模型中長期穩定地重建造血系統，且其產生的外周血細胞具有抵禦愛滋和白血病能力。

目前全球已有多個CRISPR-Cas9技術在臨床上的成功案例，中國科學家就曾利用CRISPR-Cas9完成了世界首例基於基因編輯幹細胞治療愛滋病和白血病的案例。但隨著該技術將生物體的基因修飾過程變得相當簡單與廉價，研究人員和倫理學家甚至開始擔心，這會催生負面效應的發生。此外，基因編輯潛在的基因脫靶風險也成為其臨床應用的最大障礙。

杜德納對此表示：「科學的進步不應該因為擔心倫理問題而停滯不前，相反，基礎研究是非常重要的，能夠幫助科學家解釋很多根本性的問題。我總是希望我們科學家能夠以負責任的態度來推進科學的發展。」

截至2020年，諾貝爾化學獎共有185位獲獎者，此前只有5名女性，包括獲得物理學獎和化學獎雙料諾獎的居裡夫人（瑪麗·居裡）。如今杜德納和卡彭蒂耶的加入，使女性諾貝爾化學獎得主增加到了7名。而令人遺憾的是，CRISPR-Cas9技術研究另一先鋒——華裔科學家張鋒教授與諾獎失之交臂。而這背後還暗含著專利之爭。

2012年8月17日，夏彭蒂耶和杜德納合作在《科學》雜誌發表了一篇研究論文，成功解析了CRISPR/Cas9基因編輯的工作原理，首次在體外證明使用Cas9的CRISPR系統可以切割任意DNA鏈，指出CRISPR在活細胞中修改基因的能力。

7個月後，華人科學家、麻省理工學院教授、博德研究所資深研究員張鋒於2013年2月在《科學》雜誌發表文章，首次將CRISPR/Cas9基因編輯技術應用於小鼠和人類細胞。

理論需要實踐來證實。張鋒不但首次實現了CRISPR在哺乳動物細胞中的基因編輯，還就此申請並早於杜德納和卡彭蒂耶得到了專利。與後者不同，張鋒還申請了「適用專利加速審查機制」，適用程序的專利申請可在12個月內獲批。2014年4月，美國專利商標局（USPTO）批准了張鋒所在的博德研究所的專利請求，其中包括多項廣泛涉及CRISPR-Cas9在真核細胞中進行修改的基礎專利。

杜德納和加州大學伯克利分校隨即提出異議。加州大學伯克利分校表示，杜德納和卡彭蒂耶團隊先於博德研究所提交專利申請，其專利申請的優先日期是2012年5月25日，但由於博德研究所尋求了加速審核流程，後者被首先授予了一些重要專利。

2016年，杜德納和卡彭蒂耶團隊向美國聯邦法院提起上訴，被駁回。此後該團隊繼續申訴，美國專利審判和上訴委員會（PTAB）介入，最後裁定博德研究所張鋒團隊在其已獲準的專利中，擁有將CRISPR系統用於真核細胞的「優先權」，同時也肯定了杜德納和卡彭蒂耶團隊是CRISPR基因編輯技術的關鍵發明者。

CRISPR的專利戰並未就此結束。2017年4月，加州大學伯克利分校再次提起上訴，申請撤銷PTAB的判決，博德研究所也就此提出訴訟，爭論持續到美國時間2018年9月10日，美國聯邦巡迴上訴法院（CAFC）最終裁定麻省理工學院張鋒教授及其所屬的博德研究所擁有的CRISPR專利有效，維持了PTAB在2017年2月的判決。判決電子文件中表示，美國專利及商標局認為，博德研究所的發明與伯克利的申請涵蓋不同範圍，二者並不存在衝突。

加州大學伯克利分校並不認可這一結果，提出「博德研究所只是使用常規現成的工具」、在植物和動物中應用CRISPR-Cas9的六個研究小組之一，並表示下一步可能「要求聯邦巡迴區上訴法院重新考慮決定或向美國最高法院提出請願」。

裁定獲益方博德研究所則發表聲明說：「博德研究所和加州大學伯克利分校的專利和申請涉及不同的主題，因此不會相互幹擾，除了訴訟之外，我們應當共同努力，確保這項變革性技術能夠廣泛、開放地獲取。」