2020諾貝爾化學獎：基因剪刀改寫生命密碼的工具，張鋒無緣

艾曼紐爾·夏彭蒂埃和詹妮弗·A·杜DNA發現了基因技術最銳利的工具之一：CRISPR/Cas9基因剪刀。

利用這些技術，研究人員可以非常精確地改變動植物和微生物的DNA。這項技術對生命科學產生了革命性的影響，正在為新的癌症療法做出貢獻，並可能使治癒遺傳疾病的夢想成真。研究人員要想了解生命的內部運作方式，就需要修改細胞中的基因。這曾經是一項耗時、困難、有時甚至不可能完成的工作。使用CRISPR/Cas9基因剪刀，現在可以在幾周內改變生命的密碼。「這種基因工具有著巨大的力量，影響著我們所有人。諾貝爾化學委員會主席克萊斯·古斯塔夫森說：「它不僅使基礎科學發生了革命性的變化，而且產生了創新的作物，並將導致開創性的新醫療方法。」。在科學界，這些基因剪子的發現出乎意料。在艾曼紐爾·夏彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）對化膿性鏈球菌（Streptococcuspyogenes）的研究中，她發現了一種以前未知的分子tracrRNA。她的研究表明tracrRNA是細菌古老的免疫系統CRISPR/Cas的一部分，它通過切割病毒的DNA來解除病毒的武裝。夏彭蒂埃在2011年發表了她的發現。同年，她發起了與珍妮弗·杜DNA（JenniferDoudna）的合作，後者是一位經驗豐富的生物化學家，對RNA有著豐富的知識。他們一起成功地在試管中重新創造了細菌的基因剪子，並簡化了剪刀的分子組成，使其更易於使用。在一個劃時代的實驗中，他們重新編程了基因剪子。在它們的自然形態中，剪刀可以識別病毒的DNA，但Charpentier和Doudna證明，它們可以被控制，從而可以在預定的位置切割任何DNA分子。DNA被切割的地方就很容易重寫生命的密碼。自2012年Charpentier和Doudna發現CRISPR/Cas9基因剪子以來，它們的使用量激增。這個工具在基礎研究中有許多重要發現，植物研究人員已經能夠開發出能夠抵禦黴菌、害蟲和乾旱的作物。在醫學方面，新癌症療法的臨床試驗正在進行，能夠治癒遺傳疾病的夢想即將實現。這些基因剪刀將生命科學帶入了一個新的時代，並在許多方面給人類帶來了最大的利益。

艾曼紐爾·夏彭蒂埃，1968年出生於法國奧格郡朱維西。1995年獲法國巴黎巴斯德研究所博士學位。德國柏林，馬克斯·普朗克病原體科學部主任。

詹妮弗A.杜德娜，1964年生於美國華盛頓，1989年畢業於美國波士頓哈佛醫學院，美國加州大學伯克利分校教授，霍華德休斯醫學院研究員。

獎金金額：1000萬瑞典克朗，由獲獎者平分

艾曼紐爾·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA因發現基因技術最銳利的工具之一：CRISPR/Cas9基因剪刀而獲得2020年諾貝爾化學獎。研究人員可以利用這些技術以極高的精度改變動植物和微生物的DNA。這項技術革新了分子生命科學，為植物育種帶來了新的機遇，為創新的癌症療法做出了貢獻，並可能使治癒遺傳疾病的夢想成真。科學的魅力之一在於它是不可預測的——你永遠無法事先知道一個想法或一個問題可能會導致什麼結果。有時好奇的頭腦會遇到死胡同，有時會遇到一個棘手的迷宮，需要數年才能找到。但是，時不時地，她意識到自己是第一個凝視著無限可能的地平線的人。名為CRISPR-Cas9的基因編輯器就是這樣一個具有驚人潛力的意外發現。當艾曼紐爾·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA開始研究鏈球菌的免疫系統時，一個想法是他們也許可以開發出一種新的抗生素。取而代之的是，他們發現了一種分子工具，可以用來在遺傳物質上進行精確的切割，從而使改變生命密碼成為可能。

圖1利用基因剪刀，研究人員可以編輯幾乎所有生物的基因組。

影響每個人的強大工具

就在他們發現8年後，這些基因剪刀重塑了生命科學。生物化學家和細胞生物學家現在可以很容易地研究不同基因的功能及其在疾病進展中的可能作用。在植物育種中，研究人員可以賦予植物特定的特性，例如在較溫暖的氣候下抵禦乾旱的能力。在醫學上，這個基因編輯正在致力於新的癌症療法和第一個試圖治癒遺傳性疾病的研究。關於CRISPR-Cas9的使用，幾乎有無數的例子，其中也包括不道德的應用。就像所有強大的技術一樣，這些基因剪子需要被調節。2011年，艾曼紐爾·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA都不知道，他們在波多黎各一家咖啡館的第一次見面是一次改變人生的邂逅。我們將首先介紹Charpentier，他最初提出了他們的合作。

Charpentier對病原菌很著迷

有人說她很有幹勁，細心周到。也有人說艾曼紐·夏彭蒂埃總是尋找意想不到的東西。她引用路易斯·巴斯德的話來說，她自己，「機會偏愛有準備的頭腦」。對新發現的渴望和對自由和獨立的渴望支配著她的道路。包括她在巴黎巴斯德研究所的博士研究，她生活在五個不同的國家，七個不同的城市，在十個不同的機構工作。她的研究環境和研究方法都發生了變化，但她的大部分研究都有一個共同點：致病菌。他們為什麼這麼咄咄逼人？他們是如何產生對抗生素的耐藥性的？有沒有可能找到新的治療方法來阻止他們的進展？

2002年，當EmmanuelleCharpentier在維也納大學成立了自己的研究小組時，她關注的是對人類造成最大危害的細菌之一：化膿鏈球菌。每年，它會感染數以百萬計的人，經常導致扁桃體炎和膿皰病等容易治癒的感染。然而，它也會導致危及生命的敗血症，並破壞身體的軟組織，使其享有「肉食者」的美譽。為了更好地了解化膿鏈球菌，夏彭蒂埃首先深入研究了這種細菌的基因是如何調節的。這個決定是發現基因剪子的第一步，但在我們沿著這條路走得更遠之前，我們將進一步了解詹妮弗·杜DNA。因為當查彭蒂埃在對化膿鏈球菌進行詳細研究時，杜德娜第一次聽到一個她認為聽起來更脆的縮寫詞。

科學——和偵探小說一樣冒險

然而，當她開始解開科學謎團時，她的注意力並不是在DNA上，而是在它的分子兄弟——RNA上。2006年，當我們見到她時，她領導著加州大學伯克利分校的一個研究小組，有著20年的RNA研究經驗。她是一位成功的研究者，對突破性的項目有敏銳的嗅覺，她最近進入了一個令人興奮的新領域：RNA幹擾。多年來，研究人員一直認為他們了解RNA的基本功能，但他們突然發現了許多小RNA分子，這些分子有助於調節細胞中的基因活性。2006年，詹妮弗·杜DNA（JenniferDoudna）因參與RNA幹擾而接到另一部門同事的電話。

細菌攜帶著古老的免疫系統

她的同事是一名微生物學家，她向Doudna講述了一個新發現：當研究人員比較大不相同的細菌以及古生菌（一種微生物）的遺傳物質時，他們發現重複的DNA序列保存得非常好。相同的代碼一遍又一遍地出現，但是在重複之間有不同的唯一序列（圖2）。就像一本書中每一個獨特的句子之間重複著同一個詞。這些重複序列的數組被稱為聚集的規則間隔的短回文重複序列，縮寫為CRISPR。有趣的是，CRISPR中獨特的、非重複的序列似乎與各種病毒的遺傳密碼相匹配，因此目前的想法是，這是一種古老的免疫系統的一部分，可以保護細菌和古生菌免受病毒的侵害。這種假設是，如果一種細菌成功地在病毒感染後倖存下來，它會在其基因組中加入一段病毒的遺傳密碼，作為對感染的記憶。她的同事說，目前還沒有人知道這一切是如何運作的，但懷疑是細菌用來中和病毒的機制與Doudna研究的RNA幹擾相似。

Doudna繪製了一個複雜的機器

這個消息既引人注目又令人激動。如果細菌確實擁有古老的免疫系統，那麼這是一件大事。詹妮弗·杜DNA的分子陰謀感開始活躍起來，她開始學習有關CRISPR系統的一切知識。結果發現，除了CRISPR序列外，研究人員還發現了他們稱之為CRISPR相關的特殊基因，簡稱cas。Doudna發現有趣的是，這些基因與編碼已知蛋白質的基因非常相似，這些蛋白質專門負責解開和切割DNA。那麼Cas蛋白有相同的功能嗎？它們能切割病毒DNA嗎？她讓她的研究小組開始工作，幾年後，他們成功地揭示了幾種不同Cas蛋白質的功能。與此同時，其他大學的一些其他研究小組也在研究新發現的CRISPR/Cas系統。他們的圖譜顯示，細菌的免疫系統可以採取非常不同的形式。Doudna研究的CRISPR/Cas系統屬於1類，它是一個複雜的機制，需要許多不同的Cas蛋白來解除病毒。第二類系統非常簡單，因為它們需要更少的蛋白質。在世界的另一個地方，伊曼紐爾·夏彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）剛剛遇到了這樣一個系統。回到她身邊。當我們離開Emmanuelle Charpentier時，她住在維也納，但在2009年，她搬到了瑞典北部的Umeå大學一個有良好研究機會的職位。有人警告她不要搬到世界上這麼偏僻的地方，但漫長而黑暗的冬天讓她有足夠的寧靜和寧靜來工作。她需要它。她還對小的、基因調控的RNA分子感興趣，並與柏林的研究人員合作，繪製了化膿鏈球菌中發現的小RNA。這一結果給了她很多思考的餘地，因為這種細菌中大量存在的一種小RNA分子是一種至今未知的變體，這種RNA的遺傳密碼非常接近細菌基因組中特有的CRISPR序列。兩者之間的相似之處使查彭蒂埃懷疑他們有聯繫。仔細分析它們的遺傳密碼還發現，小而未知的RNA分子中有一部分與CRISPR重複的部分相匹配。這就像找到兩個拼圖塊完美地結合在一起（圖2）。

Charpentier從未與CRISPR合作過，但她的研究小組發起了一些徹底的微生物檢測工作，以繪製化膿鏈球菌中CRISPR系統。這個系統屬於2類，已經知道它只需要一個Cas蛋白Cas9就能切割病毒DNA。Charpentier指出，未知的RNA分子，即反式激活crispr RNA（tracrRNA）也具有決定性作用；基因組中crispr序列產生的長RNA必須成熟為其活性形式（圖2）。

經過密集而有針對性的實驗後，艾曼紐爾·夏彭蒂埃於2011年3月發表了tracrRNA的發現。她知道她正緊跟著一件非常激動人心的事。她在微生物學方面有多年的經驗，在她對CRISPR-Cas9系統的持續研究中，她希望與一位生物化學家合作。珍妮弗·杜DNA是自然的選擇。所以那年春天，當夏彭蒂埃被邀請到波多黎各的一個會議上談論她的發現時，她的目的是會見這位熟練的伯克利研究員。巧合的是，他們在會議的第二天在一家咖啡館見面。杜德納的一位同事互相介紹了他們，第二天，夏彭蒂埃建議他們一起探索首都的老城區。當他們漫步在鵝卵石街道上時，他們開始談論他們的研究。Charpentier想知道Doudna是否對合作感興趣——她願意參與研究化膿鏈球菌簡單的2類系統中Cas9的功能嗎？詹妮弗·杜DNA對此很感興趣，他們和他們的同事通過數字會議為這個項目制定計劃。他們懷疑CRISPR-RNA是鑑定病毒DNA所必需的，而Cas9是切斷DNA分子的剪刀。然而，當他們在體外測試時，什麼也沒有發生。DNA分子完好無損。為什麼？實驗條件有問題嗎？或者Cas9有完全不同的功能嗎？經過大量的腦力激蕩和無數次失敗的實驗，研究人員終於在他們的測試中加入了tracrRNA。以前，他們認為只有當CRISPR-RNA被切割成活性形式時，tracrRNA才是必需的（圖2），但是一旦Cas9獲得tracrRNA，每個人都在等待的事實發生了：DNA分子被切割成兩部分.進化的解決方案常常讓研究人員感到驚訝，但這是一件非同尋常的事情。鏈球菌用來保護病毒的武器是簡單有效的，甚至是絕妙的。基因剪子的歷史本可以到此為止；Charpentier和Doudna發現了一種給人類帶來巨大痛苦的細菌的基本機制。這一發現本身就令人震驚，但機遇有利於有準備的頭腦。

劃時代的實驗

研究人員決定嘗試簡化基因剪子。利用他們關於tracrrna和CRISPR-RNA的新知識，他們發現了如何將二者融合成一個分子，他們將其命名為guideRNA。利用這種簡化的基因剪刀變體，他們進行了一個劃時代的實驗：他們研究他們是否能夠控制這種遺傳工具，以便它在研究人員決定的位置切割DNA。到目前為止，研究人員知道他們已經接近一個重大突破。他們提取了一個已經在Doudna實驗室的冷凍室中的基因，並選擇了5個不同的地方進行基因切割。然後，他們改變剪刀的CRISPR部分，使其代碼與剪切的代碼相匹配（圖3）。結果是勢不可擋。DNA分子被切割到了正確的位置。

基因剪刀改變了生命科學

在2012年EmmanuelleCharpentier和Jennifer Doudna發表了他們對CRISPR/Cas9基因剪刀的發現後不久，幾個研究小組就證明，這種工具可以用來修改老鼠和人類細胞的基因組，導致爆炸性的發展。以前，改變細胞、植物或有機體中的基因是耗時的，有時甚至是不可能的。利用基因剪刀，研究人員可以——原則上——在任何他們想要的基因組上進行切割。在此之後，很容易利用細胞的自然系統進行DNA修復，從而改寫生命代碼（圖3）。因為這個基因工具非常容易使用，它現在在基礎研究中被廣泛使用。它被用來改變細胞和實驗動物的DNA，以了解不同基因的功能和相互作用，例如在疾病過程中。因為這個基因工具非常容易使用，它現在在基礎研究中被廣泛使用。它被用來改變細胞和實驗動物的DNA，以了解不同基因的功能和相互作用，例如在疾病過程中。

基因剪刀也成為植物育種的標準工具。以前研究人員用來修改植物基因組的方法通常需要添加抗生素抗性基因。在種植作物時，這種抗生素耐藥性有可能擴散到周圍的微生物。多虧了基因剪刀，研究人員不再需要使用這些老方法，因為他們現在可以對基因組進行非常精確的改變。除其他外，他們還編輯了使水稻從土壤中吸收重金屬的基因，從而培育出鎘和砷含量較低的改良水稻品種。研究人員還開發出了在更溫暖的氣候下更能抵禦乾旱的作物，並且能夠抵抗昆蟲和害蟲，否則就必須使用殺蟲劑。在醫學領域，基因剪刀正在為癌症的新免疫療法做出貢獻，並且正在進行試驗以實現夢想——治癒遺傳疾病。研究人員已經在進行臨床試驗，研究他們是否可以使用CRISPR/Cas9治療鐮狀細胞貧血和β地中海貧血等血液疾病，以及遺傳性眼病。他們也在開發修復大腦和肌肉等大器官基因的方法。動物實驗表明，經過特殊設計的病毒可以將基因剪刀傳遞給所需的細胞，治療諸如肌營養不良、脊髓性肌萎縮症和亨廷頓氏病等毀滅性遺傳疾病的模型。然而，這項技術還需要進一步完善才能在人體上進行測試。

基因剪刀的力量需要調節

除了這些好處外，基因剪刀也可能被濫用。例如，這個工具可以用來製造轉基因胚胎。然而，多年來一直有法律法規控制著基因工程的應用，其中包括禁止以允許遺傳改變的方式修改人類基因組。此外，涉及人類和動物的實驗在進行之前必須經過倫理委員會的審查和批准。

有一點是肯定的：這些基因剪刀差影響著我們所有人。我們將面臨新的倫理問題，但這一新工具很可能有助於解決人類目前面臨的許多挑戰。通過他們的發現，艾曼紐·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA開發了一種化學工具，將生命科學帶入了一個新紀元。它們使我們看到了一個巨大的、具有無法想像的潛力的地平線，而且，在我們探索這片新大陸的過程中，我們肯定會有新的、意想不到的發現。

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原文連結：

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/popular-information/