诺贝尔化学奖颁给发现遗传剪刀改变DNA技术的2位女科学家,“明智应用”CRISPR技术事关人类未来

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  导读:这两位科学家发现了“基因技术中最强大的工具之一”――CRISPR/Cas9基因组编辑技术,这也被称作“遗传剪刀”,通过使用“遗传剪刀”,研究人员可以非常高精度地改变动物、植物和微生物的DNA。

  导读:这两位科学家发现了“基因技术中最强大的工具之一”――CRISPR/Cas9基因组编辑技术,这也被称作“遗传剪刀”,通过使用“遗传剪刀”,研究人员可以非常高精度地改变动物、植物和微生物的DNA。

  来   源丨21世纪经济报道(ID:jjbd21)

  记   者丨师琰

  编   辑丨辛灵

诺贝尔化学奖颁给发现遗传剪刀改变DNA技术的2位女科学家,“明智应用”CRISPR技术事关人类未来

  法国科学家夏蓬迪(Emmanuelle Charpentier)教授和美国科学家杜德纳教授(Jennifer Doudna)凭借开发基因组编辑技术的工作荣膺2020年诺贝尔化学奖。她们的研究成果被誉为带来一场生物技术的革命,由她们开发的基因组编辑技术能够以前所未有的精确度非常经济地重写基因组并纠正缺陷基因。

  这是诺贝尔化学奖上百年历史上首次在同一年颁发给两名女性,这也使获得诺贝尔化学奖的女性人数从5人增加到7人。两位科学家将共同分享1000万瑞典克朗奖金。

  诺贝尔化学委员会的颁奖词中指出,这两位科学家发现了“基因技术中最强大的工具之一”――CRISPR / Cas9基因组编辑技术,这也被称作“遗传剪刀”,通过使用“遗传剪刀”,研究人员可以非常高精度地改变动物、植物和微生物的DNA。

  她们开发的基因组编辑技术是基于产生与将要进行“切割”的DNA编码相匹配的蛋白质,使研究人员能够以某种方式插入、修复或编辑基因,从而使DNA不会将这种改变视为损害,而是将其视为可被细胞复制的合法编辑。

  正如杜德纳在2015年的TED演讲中指出的那样:“我们可以利用其作为基因工程技术的功能,科学家能够以惊人的精度将特定的DNA片段删除或插入到细胞中的一种方式,这将为我们提供过去做不到的事情的机会。”

  “这项技术对生命科学产生了革命性的影响,正在为新的癌症疗法做出贡献,并且可能使治愈遗传性疾病的梦想成真。”诺奖委员会指出,应用这项发现“不仅彻底改变了基础科学,而且还产生了创新的农作物,并将导致开创性的新医疗方法”。

  如何发现“基因剪刀”

  夏蓬迪是法国微生物学家、遗传学家和生物化学家,她的研究生涯跨越欧美,2015年至今担任柏林马克斯・普朗克感染生物学研究所所长,也是瑞典皇家科学院院士。

  她1968年12月11日出生于巴黎,从小受到父母的鼓励,积极从事各种学术和艺术活动,并继承了母亲对心理学的兴趣,也喜欢哲学、数学和医学,早年就立誓要为人们的医疗健康做出贡献。

  1986年至1992年间,夏蓬迪在巴黎皮埃尔大学和玛丽・居里大学(UPMC)攻读了微生物学、遗传学和生物化学的本科课程。随后她继续在巴斯德研究所(1992-1995)和UPMC(1993-1995)从事研究工作并获得微生物学博士学位,在此期间,她研究了抗药性的分子机制,还进行了有关细菌在感染宿主过程中如何与周围环境相互作用的研究。

  随后她赴美国洛克菲勒大学,师从Elaine Tuomanen研究肺炎链球菌,之后随纽约大学的Pamela Cowin研究哺乳动物基因。2002年,她在维也纳大学微生物学和遗传学研究所拥有了自己的实验室,在那里开始了对CRISPR的探索。

  夏蓬迪在研究化脓性链球菌细菌时,发现了一个以前未知的分子tracrRNA,她发现该分子是CRISPR / Cas的一部分,该系统通过切割病毒的DNA解除它们的武装。

  按照微生物学界在2000年代初的假设,CRISPR就像一种细菌的免疫系统,可以保护它们免受其所感染的病毒的侵害;对于细菌而言,CRISPR就像是一堵遗传通缉令墙,用于张贴已知的病毒威胁。在夏蓬迪看来,CRISPR如何实现这种防御的细节是一个谜,她和同事开始悄悄研究这个问题,并确定了与CRISPR相关的特定小RNA分子,它们与称为Cas9的DNA切片酶相互作用。夏蓬迪怀疑这些RNA――其中包括病毒基因序列的一部分――将Cas9引导至病毒DNA中的靶标,并使其能够破坏感染细胞的病毒。这个概念在当时是非正统的。

  杜德纳2009年移居瑞典于默奥大学,在那里完成的进一步实验为她的大胆想法奠定了重要证据。实验证明,转录包含病毒序列的CRISPR RNA时,它会通过与另一部分RNA(称为tracrRNA)形成双链体并与Cas9结合而成熟,由此产生的复合体似乎具有阻止病毒攻击所需的所有要素。夏蓬迪在2010年的一次学术会议上首次提出了她的重要发现,并在2011年的《自然》杂志上正式发表相关论文。

  那时她已很清楚,如果CRISPR-Cas9系统能够如此迅速而有效地定位细胞中的DNA靶标,那么它具有作为基因工程工具的巨大潜力。

  双剑合璧,基因科学大突破

  几个月后,夏蓬迪参加了在波多黎各举行的一次会议,在那里见到加州大学伯克利分校化学和分子生物学与细胞生物学教授、霍华德・休斯医学研究所研究员杜德纳。杜德纳也一直在研究CRISPR系统中涉及的RNA。

  这位美国生物学家比夏蓬迪年长4岁,1964年出生于华盛顿。她在克莱蒙特的波莫纳学院学习化学,并从哈佛大学获得了生物化学和分子药理学博士学位。1991年杜德纳前往科罗拉多大学博尔德分校和托马斯・切赫(Thomas Cech)实验室――后者最近因发现核酶而获得诺贝尔奖――在那里,她开始致力于研究特定核酶的结构。1994年至2002年,她在耶鲁大学任教,2003年开始担任加州大学伯克利分校的教授,并建立自己的实验室。

  当她在波多黎各会议上遇见杜德纳时,两人都认识到彼此的长项会为CRISPR-Cas研究带来互补优势,并决定跨越大洋两岸的实验室物理鸿沟实现合作。

  她们共同在试管中成功重建了细菌的遗传剪刀,并简化了剪刀的分子成分,因此更易于使用,可以在预定位置切割任何DNA分子。2012年8月,两人的合作成果发表在《科学》杂志上。

  该论文的价值是不仅仅解释了细菌如何利用CRISPR来防御病毒,还表明研究人员可以使用定制的RNA对CRISPR-Cas9复合物进行编程,从而在所需的任何地方切割DNA双螺旋。结合细胞的DNA修复机制,他们可以删除一个基因或插入一个新基因。而且,CRISPR在基因组调控中的作用可能至少与基因组编辑同样重要。借助CRISPR,科学家可以将可编程的转录因子引入细胞的DNA,从而可以可逆地灭活特定基因而无需改变它们。

  该项技术为广泛的研究做出了贡献,基因研究人员和生物技术人员都急于使用,使得引用两位科学家合作论文的已发表论文数量自那以后呈指数级增长。

  农业研究人员已在使用CRISPR技术来设计抗病虫害的小麦、水稻、橘子、大豆和其它农作物;动物研究人员则在使用该技术制造抗病猪,以及那些具有“人性化”器官的猪,使其成为向人类移植的安全捐助者;生物医学研究人员将该技术用于治疗患有杜氏肌营养不良症的小鼠;昆虫学家正在探索利用该技术改变野生蚊子种群遗传学的可能性,以降低其传播疟疾和寨卡病毒的能力。

  CRISPR作为治疗遗传性疾病如囊性纤维化和镰状细胞性疾病以及DNA渗透性疾病如HIV的一种方法也引起医学研究人员的极大兴趣。人们普遍认为,基于CRISPR的疗法可在10年内针对人类疾病进行测试,因为血细胞系比大多数组织更容易操纵,并且成年人的非遗传性遗传改变不那么受制于道德要求。

  诺奖委员会也明确指出,在医学上,基于CRISPR技术,新癌症疗法的临床试验正在进行中,人类能够治愈遗传性疾病的梦想“即将实现”。

  “明智应用”CRISPR技术事关人类未来

  两位科学家此前已获得许多有分量的国际学术奖项,包括2015年生命科学突破奖、2015年格鲁伯遗传学奖和2016年德国莱布尼兹奖等,也被广泛认为将成为诺贝尔奖得主。

  目前,夏蓬迪在柏林的实验室中继续研究CRISPR系统,并进一步完善由此产生的基因编辑技术;但她也将研究兴趣放回到其它一些一直让她感兴趣的生物学谜团,例如细菌与其宿主之间的相互作用以及在遗传和生化水平上控制这种关系的分子。

  杜德纳则积极参与有关如何明智地应用CRISPR的国际讨论。她坚持认为,对这项技术的热情不应使任何人对意外后果的风险视而不见,不应轻易放纵几乎不可抗拒的改变人类胚胎或生殖系组织以预防子孙后代的诱惑。

  伦理学家担心,CRISPR技术会被过于随意地用于消除非严格病理条件从而改变DNA传给后代的状况,这种对子孙后代的“改进”可能会引起优生噩梦。

  出于这个原因,杜德纳帮助带动了科学界的一项运动,以讨论和管理CRISPR技术。2015年11月,科学家举行国际大会并制定一系列协议,宣布暂时、自愿暂停对人类的大多数潜在CRISPR实验。

  根据该协议的条款,只有在实验的潜在利益大大超过潜在危害的情况下,才能在人类卵子上进行实验,并且仅在不可能将其进行鉴定的人类胚胎上进行实验。

诺贝尔化学奖颁给发现遗传剪刀改变DNA技术的2位女科学家,“明智应用”CRISPR技术事关人类未来

  本期编辑 陈思

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(责任编辑:冉笑宇 )
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