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诺贝尔化学奖花落“基因剪刀”

2020-10-08 08:43 主页 来源:未知
诺贝尔化学奖花落“基因剪刀”



几乎所有人都认为CRISPR/cas 9会获得诺贝尔奖。
 
悬念只是,什么时候获得,以及除了法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷(Emmanuelle Charpentier)和美国结构生物学家珍妮弗·杜德纳(Jennifer A. Doudna)之外,还有谁会得奖。
 
2020年10月7日,悬念揭晓。在《科学》杂志发表具有里程碑意义的论文仅仅八年后,这对女搭档就斩获了诺贝尔化学奖。
 
 
 
左侧为法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷,右侧为美国生物化学家珍妮弗·杜德纳。
 
当然,在此之前,她们已经因为这把神奇剪刀,获得了多个重量级奖项。
 
八年时间,基因剪刀已经搅动风云,对整个人类社会都产生了深远影响。
 
杜德纳是优秀的结构生物学家,沙尔庞捷研究的是细菌生物学。后者在实验室研究化脓链球菌当中的CRISPR序列时发现,细菌中仅仅需要一种cas蛋白和两段RNA分子,就可以识别和切割病毒。沙尔庞捷想知道,cas蛋白究竟如何作用。
 
2011年,在一次学术会议后,沙尔庞捷找到了杜德纳,两人开始了一段跨洋合作,也开启了基因编辑史的新篇章:她们发现,人工设计的向导RNA可以让Cas9蛋白指哪打哪,切割任意指定的一段DNA序列。
 
CRISPR横空出世,风头很快盖过了此前的基因编辑技术。
 
 
 
对,它并非第一代基因编辑技术。在此之前,有锌指蛋白酶和“TALE”蛋白等。北京大学生命科学学院教授魏文胜告诉科技日报记者,这两代技术都是用蛋白来识别DNA序列, CRISPR则是通过RNA来识别DNA序列,使得基因编辑难度可以大幅下降。可以说,CRISPR更加“平易近人”。
 
杜德纳曾在接受采访时说,这一技术“我们刚刚发明出来,人们就开始用了”。她指出,CRISPR能轻易地改变任何生物的遗传信息,甚至包括人类自身。它的准确性和高效性深刻改变了基础研究,为生物学、农业和医药带来了很多新的研究方向和发现。
 
为什么获得的是化学奖?专家并不感到意外。两位女科学家其实对CRISPR的生物化学机制进行了阐明,向大家提供了基因编辑的便捷高效的工具。其实,化学奖这些年来本来也是“理综奖”,很多奖也确实是发给了偏生物医学领域的成果。
 
诺贝尔化学奖公布后,很多人问道:为什么没有张锋?
 
张锋,美国麻省理工学院著名华人科学家,82年出生,CRISPR/cas 9哺乳细胞编辑专利的持有者。
 
受访专家告诉科技日报记者,没有张锋,可以理解;但如果发给张锋,也可以理解。
 
张锋的主要贡献,是将CRISPR/cas 9技术进行了推广,将其用到了哺乳动物细胞上。他将这把剪刀和人类健康联系了起来。
 
 
 
华裔科学家张锋。图片来源:知识分子
 
“沙尔庞捷和杜德纳做的,是捅窗户纸的工作,是真正的从0到1。”魏文胜说,“当然,张锋的工作也非常重要。”
 
一位不愿具名的科学家表示,诺贝尔奖的颁发也有一个“套路”。
 
它看似表彰的是基础研究,但其实,它发给的并不是所谓最重要的纯粹基础科学发现,而是当基础科学的应用产生了巨大的社会影响力之后,再回头去找当初在基础研究阶段做出最大贡献的人。
 
CRISPR技术推广能如此迅速,其实张锋也居功至伟。
 
不过,即使没有获得诺贝尔奖,在基因编辑领域,已经大名鼎鼎的张锋,依然是绕不开的名字。
 
还有一位科学家,来自立陶宛,叫Virginijus Siksnys。他也被认为是CRISPR技术的开创者之一。
 
相比之下,Siksnys确实比较“倒霉”。他的团队其实和诺奖获得者团队各自独立地、几乎同时做出了CRISPR相关研究成果,不同的是,Siksnys第一次投稿时被拒绝了。
 
“所以,这也说明,你的东西被拒绝,不代表做得不好,可能是遇到了不恰当的审稿人或者编辑。”魏文胜说。耽误了一段时间后,Siksnys的论文才在PNAS在线发表,晚于沙尔庞捷和杜德纳团队。
 
其实,如果CRISPR是一出乐章,演奏它的人,当然不止一组。只不过,奖项发给沙尔庞捷和杜德纳,确实最无可争议。
 
仅仅八年,基因编辑界已经发生了翻天覆地的变化。目前,人们正努力让基因编辑技术变得更加精准高效。
 
魏文胜告诉科技日报记者,从论文发出到获得诺奖,时间并不长,这也说明CRISPR技术过于强大,已经被认可,是毫无争议的革命性技术。
 
基因编辑技术门槛降低后,它也给一些重要的延伸技术提供了舞台。“基因编辑领域现在生机勃勃,还有很多应用空间,还有很多发展的可能。未来再在这一领域诞生诺贝尔奖,也毫不奇怪。”魏文胜感慨。
 
 
 
图片来源:视觉中国
 
不过,基因编辑技术的应用还是有禁区的。
 
科学共同体对基因编辑技术的相关应用达成基本共识,即现阶段严格禁止人类生殖系基因编辑的临床应用,同时鼓励基因编辑的基础研究和在成体细胞层面的基因治疗。
 
魏文胜觉得,划定红线是好事。“有一个安全区,反而能让科学家更加自由地探索,这是一种保护,也给了更大的空间。”否则,若技术的应用出现负面影响,在社会上引起轩然大波,反而会让原本中性的技术遭到非议,影响其发展前景。
 
相关报道:基因编辑获2020诺贝尔化学奖 华裔科学家张锋无缘该奖项
 
10月7日,2020年诺贝尔奖的最后一个自然科学奖项——化学奖被揭晓,埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳(Jennifer Anne Doudna)获得了这一奖项,获奖原因是开发了一种基因组编辑的方法。
 
 
 
图片来源:诺贝尔奖官方网站
 
有些遗憾的是,对CRISPR-Cas9的发展和应用做出贡献的华裔科学家张锋不在获奖名单中。
 
Part.1
 
CRISPR/Cas9技术
 
CRISPR/Cas9是继“锌指核酸内切酶(ZFN)”、“类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)”之后出现的第三代“基因组定点编辑技术”。所谓“基因编辑技术”,就是能够让人类对目标基因进行“编辑”,实现对特定DNA片段的敲除、加入的一项技术。
 
与前两代技术相比,CRISPR/Cas9具有成本低、制作简便、快捷高效的优点,于是它迅速风靡于世界各地的实验室,成为科研、医疗等领域的有效工具。
 
 
 
CRISPR/Cas9被称作“基因魔剪”
 
(图片来源:诺贝尔奖官方网站)
 
Part.2
 
CRISPR/Cas9系统的工作原理
 
那么,这么厉害的技术,是如何操作的呢?
 
在细菌的基因组上,存在着串联间隔排列的“重复序列”,这些重复序列相对保守,我们称之为CRISPR序列(Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的规律间隔的短回文重复序列)。
 
1. “记录”入侵者档案
 
其中的“间隔序列”来源于病毒或外源质粒的一小段DNA,是细菌对这些外来入侵者的“记录”。
 
 
 
CRISPR序列示意图(其中,菱形框表示高度可变的间隔序列,正方形表示相对保守的重复序列)
 
病毒或外源质粒上,存在“原间隔序列”,“间隔序列”正是与它们互相对应。“原间隔序列”的选取并不是随机的,这些原间隔序列的两端向外延伸的几个碱基往往都很保守,我们称为PAM(Protospacer adjacent motifs-原间隔序列临近基序)。
 
当病毒或外源质粒DNA首次入侵到细菌体内时,细菌会对外源DNA潜在的PAM序列进行扫描识别,将临近PAM的序列作为候选的“原间隔序列”,将其整合到细菌基因组上CRISPR序列中的两个“重复序列”之间。这就是“间隔序列”产生的过程。
 
2. 打击二次入侵者
 
当外源质粒或病毒再次入侵宿主菌时,会诱导CRISPR序列的表达。同时,在CRISPR序列附近还有一组保守的蛋白编码基因,称为Cas基因。CRISPR序列的转录产物CRISPR RNA和Cas基因的表达产物等一起合作,通过对PAM序列的识别,以及“间隔序列”与外源DNA的碱基互补配对,来找到外源DNA上的靶序列,并对其切割,降解外源DNA。这也就实现了对病毒或外源质粒再次入侵的免疫应答。
 
正是基于细菌的这种后天免疫防御机制,CRISPR/Cas9技术应运而生,从而使科学家们利用RNA引导Cas9核酸酶实现对多种细胞基因组的特定位点进行修饰。
 
Part.3
 
CRISPR/Cas9技术在基因敲除中的实现过程
 
如下图所示,在待敲除基因的上下游各设计一条向导RNA(向导RNA1,向导RNA2),将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中,向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列,Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。
 
对于DNA双链的断裂这一生物事件,生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制,会将断裂上下游两端的序列连接起来,从而实现了细胞中目标基因的敲除。
 
 
 
CRISPR/Cas9技术敲除掉部分基因原理图(绘图肖媛)
 
而DNA片断的插入或定点突变的实现,只需在此基础上为细胞提供一个修复的模板质粒,这样细胞就会按照提供的模板在修复过程中引入片段插入或定点突变,对受精卵细胞进行基因编辑,并将其导入代孕母体中,可以实现基因编辑动物模型的构建。
 
 
 
CRISPR/Cas9技术插入新基因原理图(绘图肖媛)
 
Part.4
 
CRISPR/Cas9技术的应用
 
利用基因编辑技术CRISPR/Cas9,科学家们做出了许多成果。比如,北京希诺谷生物科技有限公司用此技术培育出比格犬“龙龙”,它成为我国首例完全自主培育的体细胞克隆犬,也是世界首例基因编辑克隆犬。
 
 
 
世界首例基因编辑克隆犬“龙龙”
 
(图片来源科技日报)
 
除此以外,来自美国、中国、丹麦研究机构的科学家凭借此技术成功克隆出世界上第一批不携带活性内源性逆转录病毒(PERVs)的猪,克隆猪将来可以满足人类器官移植的需要。
 
随着对CRISPR系统认识的加深,实验设计的优化改造,我们相信CRISPR/Cas9以及其衍生技术终究会带来一场科学史上的巨大变革。期待在不久的将来,CRISPR/Cas9所带来的巨大转变必将能够惠泽万家。