來源：藥明康德
北京時間今天下午，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！
本文題圖：123RF
參考資料：
[1] The Nobel Prize in Chemistry 2020， Retrieved October 7， 2020， from https：//www.nobelprize.org/prizes/chemistry/
[2] Eric S。 Lander， （2016）， The Heroes of CRISPR， Cell， DOI： 10.1016/j.cell.2015.12.041
[3] Yoshizumi Ishino et al。， （1987）， Nucleotide Sequence of the iap Gene， Responsible for Alkaline Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia coli， and Identification of the Gene Product， Journal of Bacteriology， DOI： 10.1128/jb.169.12.5429-5433.1987
[4] Martin Jinek et al。， （2012）， A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity， Science， DOI： 10.1126/science.1225829
[5] Le Cong et al。， （2013）， Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems， Science， DOI： 10.1126/science.1231143
[6] The BBVA Foundation distinguishes Emmanuelle Charpentier， Jennifer Doudna and Francisco Mojica， instigators of the CRISPR 「revolution」 in genome editing， Retrieved October 7， 2019， from https：//www.prnewswire.com/news-releases/the-bbva-foundation-distinguishes-emmanuelle-charpentier-jennifer-doudna-and-francisco-mojica-instigators-of-the-crispr-revolution-in-genome-editing-300399728.html
[7] Mazhar Adli （2018）， The CRISPR tool kit for genome editing and beyond， Nature Communications， DOI： 10.1038/s41467-018-04252-2
【來源：新浪滾動】
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