諾獎風向標！CRISPR基因編輯技術兩大女神獲2020沃爾夫醫學獎

圖片來源：視頻截圖/左為Emmanuelle Charpentier，右為Jennifer Doudna

周一，兩位現代基因編輯技術的先驅獲得了以色列2020年沃爾夫醫學獎，這是一個著名的國際獎項，頒發給對人類做出獨特貢獻的人。

沃爾夫基金會表示，2020年沃爾夫醫學獎授予詹妮弗·杜德納(Jennifer Doudna)和艾曼紐埃爾·查彭蒂爾(Emmanuelle Charpentier)，表彰兩人在開發基因編輯工具CRISPR方面所做的貢獻。

詹妮弗·杜德納現為加州大學伯克利分校分子和細胞生物學及化學教授，以及霍華德·休斯醫學研究所的研究員，她與同事、德國柏林馬克斯·普朗克感染生物學研究所所長埃馬努埃爾·查彭蒂爾分享了這個獎項，因為他們在2012年發明了CRISPR-Cas9基因編輯技術。

根據沃爾夫基金會的一份聲明，杜德納因「通過RNA引導的基因組編輯揭示了細菌免疫的醫學革命機制」而受到稱讚。「這項革命性的技術有可能根除以前無法治癒的疾病，並徹底改變遺傳學、分子生物學和醫學領域。」

沃爾夫基金會表示，她們的研究有可能「為發現治療當前不治之症的新方法鋪平道路，從而使醫學產生革命性的變化」。

基因編輯是一種永久改變DNA的方法，可以從根源上解決基因疾病。它還可以廣泛用於其他用途——從攻擊蚊子身上的瘧疾到培育更耐寒的作物。

CRISPR是一種工具，它能在活細胞內精確地找到一段DNA，並將其切片，使科學家能夠打開或關閉基因，修復或替換它們。長期以來，它一直被用於實驗室，並在治療癌症和其他疾病的早期測試中。

基金會表示，杜德納還因其對圍繞這項技術的使用所做的道德論述而受到表彰。

長期以來，沃爾夫獎被認為是諾貝爾獎的風向標之一。約有36位沃爾夫獎得主獲得了諾貝爾獎。沃爾夫基金會每年以10萬美元的獎金獎勵5個領域的藝術家和科學家，以表彰他們「為人類利益和各國人民友好關係做出的貢獻」。

5個領域的類別包括農業、建築、化學、數學、醫學、音樂、繪畫、物理和雕塑。

今年的其他獲獎者包括數學獎的Yacov Eliashberg和Simon Donaldson;物理學獎的Pablo Jarillo-Herrero、Allan Macdonald和Rafi Bistritzer;藝術獎的Cindy Sherman和農業獎的Caroline Dean。

之前的獲獎者包括史蒂芬·霍金、馬克·夏加爾(繪畫)和保羅·麥卡特尼(音樂)。雜交水稻支付袁隆平曾獲2004年度的沃爾夫農業獎。

今年的獲獎者將於6月11日在耶路撒冷頒獎。

自1978年以來，沃爾夫獎每年都頒發給那些為人類和人民的友誼做出獨特貢獻的著名科學家和藝術家，無論他們的宗教、性別、種族、地理位置或政治立場如何。

兩朵鏗鏘玫瑰

現代生物技術始於20世紀70年代初，當時研究人員首次開始切割和拼接生物的DNA，賦予它們令人滿意的新基因特徵。從那以後，生物技術專家取得了許多勝利，但這一成功來之不易。與科學家和企業家的雄心相比，基因工程通常成本高昂，執行緩慢，結果不確定，在某些生物體上不實用。

與此同時，自然界中最簡單的生物悄悄地守護著一種編輯基因組的優越方式，這種方式是它們在數億年前作為防禦手段首次進化出來的。這個秘密的發現就是一種通常被稱為CRISPR的令人眼花繚亂的高級基因組工程方法，在不到十年的時間裡讓生命科學為之振奮，並要求科學界明智地使用它。

但關鍵的突破出現在2012年，當時由詹妮弗杜德納和艾曼紐埃爾查彭蒂爾領導的來自美國和歐洲的團隊展示了如何將防禦系統變成編輯基因序列的「剪切和粘貼」工具。然而，另一個美國團隊擊敗了她們，獲得了在人體細胞上使用這種方法的專利，引發了一場關於優先權的法律糾紛——在2017年2月，美國專利局裁定杜德納和查彭蒂爾無效。儘管如此，她們兩人仍然被同行科學家普遍認為是CRISPR的真正先驅。

艾曼紐埃爾查彭蒂爾1968年出生在巴黎郊外，父母一直鼓勵她從事各種學術和藝術活動。她和母親一樣對心理學感興趣，但也喜歡哲學、數學，尤其是醫學，早年就立誓要為人民的醫療健康作出貢獻。

1986年至1992年，查彭蒂爾在巴黎皮埃爾和瑪麗居裡大學(UPMC)攻讀微生物學、遺傳學和生物化學的本科學位。研究人員的生活很適合她，科學培養了她對大自然秘密的好奇心，她喜歡作為團隊的一員工作。隨後她繼續深造，在巴斯德研究所(1992-1995年)和UPMC(1993-1995年)進行研究生工作，期間她研究了抗生素耐藥性的分子機制。這也引導她進行了相關的研究，研究細菌在感染宿主的過程中如何與周圍環境相互作用。

「在我的職業生涯中，我一直在開發工具來提高遺傳學研究的準確性，無論是在細菌還是老鼠身上。」 查彭蒂爾解釋說。

博士後期間，查彭蒂爾先後在巴斯德研究所(1995-1996年)、洛克菲勒大學(1996-1997年)、紐約大學蘭貢醫學中心(1997-1999年)、聖猶達兒童研究醫院(1999年)和斯科波生物分子醫學研究所(1999-2002年)工作。

之後，查彭蒂爾回到歐洲，擔任維也納大學微生物與遺傳學研究所實驗室的負責人。查彭蒂爾一直致力於研究細菌有時是如何利用小RNA分子來調節其基因表達的。在維也納，這種興趣讓她想到了一些新發現，它們都是關於許多細菌(以及其他名為古生菌(archaea)的古代細胞)基因組的一個特殊特徵:奇怪的重複核苷酸序列簇，中間穿插著一些短的間隔，似乎是從病毒那裡偷來的DNA。細菌遺傳學家稱之為CRISPR。

微生物學家在21世紀初提出的假設是，CRISPR是一種類似於細菌免疫系統的東西，可以保護它們不受自己(或它們的祖先)接觸過的病毒的侵害。對於細菌來說，CRISPR就像一面牆上張貼著已知的病毒威脅的通緝令。

但是，當查彭蒂爾第一次開始思考時，CRISPR如何實現這種防禦的細節還是一個謎。查彭蒂爾和她的同事們悄悄地開始研究這個問題。她們發現了與CRISPR相關的特定小RNA分子，它們與一種稱為Cas9的DNA切割酶相互作用。查彭蒂爾懷疑這些RNAs，包括病毒基因序列的片段，引導Cas9到達病毒DNA中的目標，並允許它摧毀感染細胞的病毒。這個概念是非正統的，因為迄今為止，只有由RNA引導的蛋白質複合物才能在細胞中執行這種DNA靶向功能。

查彭蒂爾在2009年搬到瑞典于默奧大學後完成了進一步的實驗，為她大膽的想法提供了重要的證據。她指出，當含有病毒序列的CRISPR RNA被轉錄時，它通過與另一段RNA(稱為tracrRNA)形成雙鏈並與Cas9結合而成熟。由此產生的複合物似乎具備了阻止病毒攻擊所需的一切條件。查彭蒂爾在2010年的一次會議上首次提出了她的發現，然後在2011年的《自然》雜誌上發表了更正式的論文。

查彭蒂爾很清楚，如果CRISPR-Cas9系統能夠如此快速有效地定位細胞中的DNA目標，那麼它作為基因工程工具的潛力是巨大的。然而，為了實現這種可能性，她需要對系統如何工作有更詳細的、結構性的理解。

幾個月後，查彭蒂爾在波多黎各參加了一個會議，並遇到了著名的結構生物學家、加州大學伯克利分校霍華德·休斯醫學研究所研究員詹妮弗杜德納，這時，她所需的專業知識出現了。杜德納多年來也一直在研究CRISPR系統中的RNA。與查彭蒂爾不同的是，杜德納在夏威夷大島上長大，一直被周圍大自然的多樣性和適應性所吸引。

在波莫納學院，杜德納學習生物化學。1985年，她與傑克·紹斯塔克(Jack Szostak)一起在哈佛大學完成了研究生階段的工作。紹斯塔克是研究具有正確化學性質的早期RNA分子如何引發生命進化的先驅。在他的生物化學實驗室裡，杜德納可以專注於開發新的核糖酶——具有催化化學性質的RNA分子，如酶蛋白。

1991年，杜德納前往位於博爾德的科羅拉多大學和託馬斯切赫(Thomas Cech)的實驗室。切赫因發現核糖酶而獲得了諾貝爾獎。在那裡，杜德納開始研究一種特殊的核酶的晶體化和三維結構(當時，科學家只知道另一種RNA分子的摺疊結構)。

1994年加入耶魯大學後，杜德納繼續這個項目，並最終在1996年成功。這次經歷更堅定了杜德納的信念，即RNA結構的了解對理解其功能至關重要。2000年，杜德納有機會在加州大學伯克利分校擁有自己的實驗室，她接受了這份邀請，部分原因是她可以更方便地使用勞倫斯伯克利國家實驗室的同步加速器x射線源，這將有助於結晶研究。

在伯克利，杜德納將注意力轉向了CRISPR-Cas系統，她對許多與查彭蒂爾相同的問題產生了興趣。終於在2011年，杜德納在波多黎各的一次會議上遇到了查彭蒂爾，兩人一見如故，也認識到對方為CRISPR-Cas研究帶來的互補優勢。儘管兩人實驗室——杜德納在西海岸，查彭蒂爾在維也納——隔了大西洋，但仍擋不住強烈的合作意願。

很快，兩人共同努力的成果出來了， 2012年8月發表在《科學》雜誌上的一篇史詩般的論文，該論文表明，在成熟的CRISPR RNA雙鏈體中存儲的病毒序列，確實會引導其相關的Cas9酶在細胞中隨時隨地切出相應的病毒DNA。

這篇論文不僅解釋了細菌如何利用CRISPR來防禦病毒。還表明研究人員可以使用定製的RNA對CRISPR-Cas9複合物進行編程，從而在任何他們想要的地方對DNA雙螺旋進行切片。結合細胞的DNA修復機制，可以刪除或插入一個新的基因。此外，CRISPR在基因組調控方面的作用可能至少與基因組編輯一樣重要。

利用CRISPR，科學家能將可編程轉錄因子引入細胞DNA。有了這些基因，它們可以在不改變特定基因的情況下，可逆地使其沉默或失活。杜德納在2015年的TED演講期間指出，「我們意識到，我們可以利用它作為一種基因工程技術的功能——一種讓科學家以令人難以置信的精確度刪除或將特定的DNA片段插入細胞的方法——這將提供機會來做過去確實不可能做的事情。」

基因組研究人員和生物技術專家已經迫不及待地使用新的CRISPR技術。隨著時間的推移，引用查彭蒂爾和杜德納論文發表的論文數量呈指數級增長。

查彭蒂爾和杜德納繼續改進技術，其他研究人員包括麻省理工學院布德羅研究所的張鋒和哈佛大學的George M. Church (他們每個人都與Doudna和Charpentier同時獨立從事開發用於基因組修飾的CRISPR)。

幾家生物科技初創企業已經開始將CRISPR技術的應用商業化，包括CRISPR Therapeutics(由查彭蒂爾聯合創辦)、Caribou Biosciences和Intellia Therapeutics(均由杜德納聯合創辦)，以及Editas Medicine(由杜德納、張鋒等人聯合創辦)。

圍繞CRISPR的智慧財產權存在爭議：這項技術的一項美國專利最初授予了張鋒和布德羅研究所，但杜德納和查彭蒂爾提出反對，稱她們首先申請了專利。但在2017年2月，美國專利局裁定杜德納和查彭蒂爾無效。(張鋒和布德羅研究所的專利是關於真核生物細胞(包括人類細胞)的基因組編輯，而查彭蒂爾和杜德納申請的專利想覆蓋CRISPR-Cas9在所有類型細胞和生物體中的應用，包括細菌、植物、動物和人類。)儘管如此，這項技術仍然免費提供給世界各地的學術研究人員使用。

農業研究人員已經開始利用CRISPR技術來培育抗病蟲害的小麥、水稻、柑橘、大豆和其他農作物。動物研究人員一直在培育抗病豬，以及具有「人性化」器官的豬，這些器官可能是安全的供人移植的器官。生物醫學研究人員用它來治療患有類似杜氏肌營養不良症的老鼠。昆蟲學家正在探索改變野生蚊子種群基因的可能性，以降低它們傳播瘧疾和寨卡病毒的能力。CRISPR作為治療遺傳性疾病，如囊性纖維化和鐮狀細胞病，以及DNA浸潤性疾病，如愛滋病的一種手段，也引起了醫學研究人員的極大興趣。

由於對CRISPR的貢獻，查彭蒂爾和杜德納在國際上獲得了大量的讚譽和榮譽。除了楊森獎，她們還分享了2015年生命科學突破獎、2015年遺傳學格魯伯獎、2016年加拿大加德納國際獎(與Feng Zhang一起)等獎項。查彭蒂爾於2016年獲得德國研究基金會萊布尼茨獎，並被選為瑞典皇家科學院院士。(杜德納也是美國國家科學院的成員，但她是在2002年憑藉在核糖酶結構方面的貢獻被選入。)而此次獲得沃爾夫醫學獎，作為諾獎風向標之一，查彭蒂爾和杜德納獲得諾貝爾生理學和醫學獎指日可待。

如今，作為馬克斯·普朗克感染生物學研究所所長，查彭蒂爾在柏林的實驗室裡繼續研究細菌的CRISPR系統，並進一步改進由此產生的基因編輯技術。但她也重新開始研究生物學中其它一些一直感興趣的大謎團，比如細菌和它們的宿主之間的相互作用，以及在遺傳和生化層面控制這種關係的分子。

與此同時，杜德納也積極參與了正在進行的有關如何明智地應用CRISPR的國際討論。正如她和其他科學家所警告的那樣，對這項技術的熱情不應該讓任何人忽視意外後果的風險。