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上科大教授谈诺奖:回放CRISPR,思考CRISPR

上科大生命学院, 2021年1月13日

卡罗林斯卡学院诺奖委员会昨天宣布将2020年诺贝尔化学奖授予Emmanuelle Charpentier, Jennifer A. Doudna以表彰他们发展了一种基因编辑的方法

供稿 | 白云,陈佳
编辑 | 盛伟豪,李佳欣排版 | 穆能江校对 | 李秋凝,吴松辉

就在昨天进行的2020年诺贝尓化学奖官宣仪式上,Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna因为发现了目前最先进的基因技术工具之一,CRISPR/Cas9基因剪刀而获此殊荣。基于这种“剪刀”,研究人员可以极其精确地修改动物、植物和微生物的DNA。这是一项对基础生命科学研究起着革命性影响的技术:它正在帮助科学家和医生们开发全新的癌症治疗手段,甚至连治愈遗传病也成为了可能。

正如诺贝尔化学委员会主席Claes Gustafsson所说,“这种潜力无限的遗传工具,最终可能影响到我们每一个人。它不仅推动着基础科学的革新,催生了创新型农作物,甚至还促进了医学领域里开创性新疗法的诞生。”[1]

CRISPR作为目前各生物实验室最常用的工具之一,能够登顶诺贝尔奖对各位与之朝夕相处、一路见证其发展的生物领域研究人员而言,可以说是早有预知。我院助理教授白云老师曾于2010年4月到2015年12月在Jennifer A. Doudna的实验室从事科研工作。昔日导师Jennifer Doudna荣获2020诺奖,白云老师也不禁回想起之前在Doudna lab的时光。同时我院副教授陈佳老师长期从事DNA修复与基因编辑相关的研究,借着CRISPR获奖的契机,对这一领域的发展书写了科普文进行总结。

写在获悉Jennifer得诺奖的傍晚
白云

说实话,Jennifer得奖并不让人感到惊讶。从我还没有离开Doudna lab的2015年起,大家就开始暗暗地等着这一天了。所以,真的看到消息的时候,我的反应基本就是:“嗯,今年终于轮到了!”

在Doudna Lab做博后期间,旁观CRISPR从一个小众领域起步, “相对缓慢“地扩张,再到“爆发”这一全过程,着实是非常难得和有趣的经历。在我的记忆中,2010年刚加入D-lab之时,实验室貌似只有一个博后和一个博士生是完全投入在CRISPR方向的(这里不排除有谁被我忘了的可能性)。那时,Martin Jinek是在做RNA processing项目的同时也兼做一些CRISPR的工作。在Jennifer和Martin对Cas9(那时候叫Csn1)产生兴趣后,Martin带着一个来自德国的短期访问学生Michael Hauer(Michi)一起系统地优化了Cas9蛋白的纯化条件,这些工作为功能研究打下了重要的基础。我至今还清晰地记得,Michi在他的告别聚会上给我们展示了巨大的一罐他晾干的Cas9 SDS-PAGE胶。如果世事能够被提前预知,那这个罐子应该被好好地保存和收藏。在初始功能实验显示了Cas9系统的巨大潜力后,本来就非常勤奋的Martin工作更加拼命,以至于我们这些吃瓜的labmates在那段时间不时地担心他身体能不能撑得住。当然,众所周知,结果是好的,一切都是值得的。

Cas9的文章刚发表在《Science》时,很多人对于这个系统的应用前景是持怀疑态度的,毕竟真核细胞的DNA环境比原核细胞要复杂得多。记忆里,D-lab早期一些应用方面的合作项目并没有得到合作者们特别的重视,过后回想,真的非常可惜。后来,三篇Cas9的应用文章同期发表,拉开了如火如荼的Cas9应用开发竞赛的序幕。

再之后,当人们意识到Cas9的应用是多么简单直接、多么容易被滥用时,很多人开始担心这项技术在没有严格监管的情况下会对人类的发展造成怎样的影响。这也正是作为Cas9系统发现人之一的Jennifer一直非常关注和重视的问题。相关的问题非常复杂,在这里不做讨论,仅简单地希望这项技术在未来能够在正确的人手中为人类带来最多的福祉。

“上帝”的魔剪:基因编辑
陈佳

北京时间2020年10月7日下午,诺贝尔化学奖(也被戏称为诺贝尔“理综奖”)有了新科获奖者,两位CRISPR女神:来自美国加州大学伯克利分校的的Jennifer Doudna和德国马普研究所的Emmanuelle Charpentier。诺贝尔奖评审委员会给出的获奖理由是:“开发了一种基因编辑方法”。如果对生命科学前沿进展稍有了解的话,可能或多或少都听过“基因编辑”、“基因魔剪”、“CRISPR”这几个词汇。为什么基因编辑在近几年内如此火爆,屡屡入围Science、Nature杂志的年度十大榜单,又在其广泛应用的短短几年后就获得诺奖委员会的青睐,一举拿下化学奖呢?背后的原因其实也很简单——一旦人们拥有了基因编辑的能力,就仿佛进入了“上帝模式”,可以对物种的基因组DNA进行定向改造。

大部分物种的生命信息,都是编码在基因组DNA中的,之前人类只能解读这些编码,却不能改写这些编码。一旦某个编码出错,就有可能导致基因突变从而引起人类疾病。这类疾病往往会遗传给下一代,所以叫做遗传性疾病。由于人类之前无法改变基因组的编码序列,绝大部分的遗传性疾病都是不可治愈的,常规的治疗方法不仅费用很高,而且有各种副作用。在人类拥有了基因编辑技术之后,理论上就能够通过矫正引发疾病的基因组DNA突变,彻底治愈这一类疾病。其实除了治疗遗传性疾病之外,基因编辑的作用十分广泛,在生命科学基础研究、生物技术开发、农林技术开发以及医药研发等领域都有着非常重要的应用。

追根溯源,早期的基因编辑技术其实在上世纪80年代就出现了,但当时的技术较为粗糙,造价高、周期长、效率低,难以开展大规模的应用。而CRISPR技术的出现彻底颠覆了基因编辑领域的版图。作为第三代基因编辑技术的CRISPR,一经面世便以不受物种限制、容易操作、可以同时靶向多个基因、以及可以高通量制备、造价低等独特的优势超越了ZFN和TALEN这前两代基因编辑技术,迅速吸引了全世界的关注。

但仔细探究起来,CRISPR的研究历史也很长,最早也可追溯到上世纪80年代,它的发展史也是一部众人拾材火焰高的历史,在此过程中很多杰出的科学家都做出了巨大的贡献。那为什么是两位女神受到了诺奖委员会的垂青呢?本人的愚见,应该是两位女神在关键的时间揭示了CRISPR作为基因编辑工具最重要的那一步。在CRISPR被发现后的较长的时间内,人们对它的认知是作为细菌的免疫系统,用来抵抗外来的寄生物(别看细菌这么小,也有自己的寄生物)。随着研究的深入,越来越多的数据提示,CRISPR有可能被用来定向切割DNA。而恰恰是两位女神,不仅首先发表论文在试管内毫无疑问的证实了CRISPR确实能够定向切割DNA,而且把整个机理解释得清清楚楚;同时还发明了后来大名鼎鼎的sgRNA(单一导向RNA)。在两位女神的工作发表之后,更多的科学家在CRISPR基因编辑领域发表了重量级的论文,其中包括著名的华裔双子星:张锋和刘如谦(David Liu)。在众多大神的共同努力下,把基因编辑领域推到了史无前例的高度。

目前,CRISPR作为基因编辑工具已经被应用于多种遗传性疾病的基因治疗当中。尽管CRISPR在这方面的应用才刚刚进入临床实验阶段,但CRISPR强大的功力与基因编辑领域的迅猛发展使我们相信,后续将会有许多重大的疾病不断被CRISPR以及基于CRISPR平台的高阶基因编辑技术(如Base Editing碱基编辑技术、Prime Editing导向编辑技术和单碱基RNA编辑技术等)所攻克。因此,CRISPR英雄们拿奖的路可能才刚刚开始。让我们为Jennifer和Emmanuelle两位女神喝彩,也期待其它大神们在今后斩获更多奖项。


不论是起步记忆的回放,还是发展征程的思考,CRISPR发展的道路与许许多多前沿的技术一样,历经无数位科学家们的不断思考、打磨与突破。或许前辈们过往也曾有踟蹰路上的心情,但不懈地前行后迎来最终的荣耀时,我们看到的是,回忆起的不是路长,而是一往无前的决心和永不松懈的求知力量。

文中插图: Illustrations © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Prize announcement. NobelPrize.org. NobelMedia AB 2020. Wed. 7 Oct 2020.
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/prize-announcement