诺贝尔化学奖颁给“基因编辑”,华裔科学家张锋未能一同加冕

“东边不亮西边亮”

贾浩楠 郑集杨 发自 凹非寺
量子位&凤凰网科技 | 联合出品

“东边不亮西边亮”。

2020年诺贝尔化学奖,颁给了两位基因编辑技术科学家。

要知道她们在去年,可是诺奖生理学\医学奖的热门候选,并且支持者非常坚定,认为是时候轮到她们了。没想到一年之后,该方向研究在“理综”奖——诺贝尔化学奖实现加冕。

她们是:

Emmanuelle Charpentier,法国籍科学家,德国柏林马克斯·普朗克病原体科学研究所主任。

Jennifer Doudna,美国籍科学家,现为加州大学伯克利分校教授,霍华德·休斯医学研究所研究员。

诺奖委员会称:

他们开发了基因技术中最锐利的工具之一:CRISPR/Cas9“基因剪刀”。利用这些技术,研究人员可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。这项技术对生命科学产生了革命性的影响,可以帮助研究者开发新的癌症疗法,并使治愈遗传疾病的梦想成为现实。

两位女性获奖科学家

Emmanuelle Charpentier,(艾曼纽·夏邦杰)现任德国柏林马克斯-普朗克感染生物学研究所所长。

她1968年出生于法国的Juvisy-sur-Orge,今年52岁,本科在巴黎的Pierre and Marie Curie大学(今索邦大学理学院)学习生物化学、微生物学和遗传学。

1992年至1995年,她在巴斯德学院读研究生,并获得研究博士学位,当时她的项目研究的是抗生素耐药性的分子机制。

2015年,接受了德国马克斯-普朗克学会的邀请,成为该学会的科学会员,并在柏林马克斯-普朗克感染生物学研究所担任所长。

而她今天获得诺奖的研究CRISPR/Cas9分子机制即基因编辑手段,则是她2011年在一次研究会议上认识了Jennifer Doudna之后,一同开展的研究。

Charpentier的实验室与Jennifer Doudna的实验室合作,证明了Cas9可以用来对任何需要的DNA序列进行切割。

2013年,艾曼纽·夏邦杰将这一技术的商业化提上日程,成立了CRISPR Therapeutics公司。

Charpentier曾获得过许多国际奖项,包括生命科学突破奖、Louis-Jeantet医学奖、Gruber基金会国际遗传学奖、德国最负盛名的研究奖Leibniz奖等等。

另一位,Jennifer A. Doudna(詹妮弗·安妮·杜德娜),生于1964年2月19日,今年56岁。

美国生物化学家,目前她是加州大学伯克利分校化学系和分子与细胞生物学系的讲座教授。

杜德娜1985年毕业于波莫纳学院,1989年获得哈佛大学医学院博士学位。

自1997年以来,她一直是霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的研究人员。

2018年,她又在格莱斯顿研究所担任高级研究人员的职位,同时也是UC Berkeley的教授。

2012年,杜德娜和Emmanuelle Charpentier率先提出CRISPR-Cas9可以用于基因组的可编程编辑,被认为是生物学史上最重要的发现之一。

杜德娜在生物化学和遗传学领域做出了基础性的贡献,并获得了许多著名的奖项和奖学金。

杜德娜博士的另一项重要成果,是对核糖体X射线晶体学确定结构的研究,她也因此获得2000年艾伦·T·沃特曼奖。

读懂CRISPR-Cas9基因编辑技术

CRISPR,是Clustered, Regularly Interspaced, Short Palindromic Repeats”的缩写。

即成簇、规律间隔的短回文重复序列。

利用这种序列,细菌可以对侵袭过它的病毒产生“记忆”。

CRISPR在20世纪80年代被日本科学家发现,但直到Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna,一种名叫Cas9的蛋白被发现,CRISPR才显示出它作为基因组编辑工具的巨大潜力。

Emmanuelle Charpentier对化脓性链球菌(一种对人类造成最大伤害的细菌)的研究中,发现了一种以前未知的分子——tracrRNA。

她的研究表明,tracrRNA是细菌古老的免疫系统CRISPR/Cas的一部分,该系统通过切割病毒的DNA从而解除了它们的“进攻”。

而Jennifer Doudna则是有丰富RNA知识的资深生物化学家。

据《环球科学》在2014年的专题文章介绍,Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna在波多黎各圣胡安的一次科学会议上相识。

她们有很多共同点:他们的团队都在研究细菌防御病毒入侵的机制;他们都已经确认,细菌可以记住以前入侵过自己的病毒的DNA,以此来识别病毒,当该病毒再次入侵时,它们就会立刻认出“敌人”。

那次会议后不久,她们就决定合作。

当时,Charpentier在于默奥大学的实验室刚刚发现,链球菌似乎会用Cas9蛋白来“捣碎”突破其细胞壁的病毒。

于是,Doudna在伯克利的实验室,也开始探究Cas9蛋白的作用机理。

很快,她们意识到或许可以用Cas9蛋白来进行基因组编辑。

基因组编辑是基因工程中的一种方法,酶是这一过程中的“分子剪刀”,可以剪切DNA。这种酶名叫核酸酶(nuclease),能在特定的位点切断双链DNA。

DNA断裂后,细胞会对断裂位点进行修复。有时,细胞中一些人为导入的基因片段,会在修复的过程中插入这些位点。

于是两位科学家在刚开始合作的时候,科学家如果想改变或去除一个基因,最先进的方法,是定制一种能找到特定DNA位点并对其进行切割的酶。

换句话说,每修饰一次基因,科学家都不得不设计一种新的蛋白,专门针对想要修饰的DNA序列。

但她们意识到,Cas9蛋白——这种链球菌用于免疫防卫的酶,会用RNA来引导自己找到目标DNA。

为了探测作用位点,Cas9-RNA复合物会在DNA上不停“扫描”,直到找到正确的位点。

这一过程看似随机,其实不然。Cas9蛋白的每次扫描,都是在搜索同一段短小的“信号”序列。Cas9会附着到DNA上,检测邻近的序列是否和充当向导的RNA匹配。这种RNA叫做向导RNA(guide RNA,简称gRNA),而只有当gRNA和DNA匹配时,Cas9蛋白才会对DNA进行切割。

如果能将这套天然的RNA向导系统利用起来,研究人员在切割DNA位点时,就不用每次都构建一种新的酶了。基因组编辑可能会因此变得更简单、更便宜,也更有效。

最终,她们设想:

其实可以将这些RNA分子设计成一条gRNA。

一套由一个蛋白质和一条gRNA组成的系统,就足以成为一个强大的基因修饰工具。

并且真的成功了。

2012年8月17日,她们将CRISPR-Cas9的研究成果公诸于众,一石激起千层浪。

CRISPR-Cas9基因“剪刀”出现后,一学家现以在几周的时间内去更改生命周期。

细菌的遗传剪刀结构被大大简化,因而更易于在实验室中进行使用。

而且她们随后还对遗传剪刀进行了重新设计。

“剪刀”在天然形式下能够识别病毒中的DNA,但是Charpentier和Doudna证明:

可以对其进行控制,以便可以在预定位置切割任何DNA分子,包括基因组中的。

带来的影响?

一扇新的大门被推开。

不仅是研究,还有商业化。

CRISPR-Cas9对遗传学和医学的作用,堪称“立竿见影”。

目前,研究人员正在运用该技术,探索艾滋病、阿尔茨海默病、精神分裂症等疾病的治疗方法。该技术将生物体的基因修饰过程变得相当简单与廉价,研究人员和伦理学家甚至开始担心,这会催生负面效应——确实也发生了。

不过也有正向的案例,比如中国科学家,利用CRISPR-Cas9完成了世界首例基于基因编辑干细胞治疗艾滋病和白血病的案例。

2019年9月,来自北京大学-清华大学生命科学联合中心的邓宏魁等人,在顶级医学期刊《新英格兰医学杂志》(The New England Journal of Medicine)上发表的新研究:

利用CRISPR/Cas9技术,科学家对人造血干细胞进行基因编辑,基因编辑后的干细胞在动物模型中可长期稳定重建造血系统,并且其产生的外周血细胞具有抵御艾滋和白血病能力。

当时就有评论,这项工作初步证明了基因编辑的成体造血干细胞移植的可行性和在人体内的安全性,将会促进和推动基因编辑技术在临床应用领域的发展。

除了艾滋与白血病,这项技术有潜力攻克多种复杂病症。

邓宏魁认为,以CRISPR为代表的基因编辑技术在疾病的治疗上具有极大的应用潜力,有望为艾滋病、镰刀型贫血、血友病、β地中海贫血等血液系统相关疾病的治疗带来新的曙光。

总之,也可以看到CRISPR/Cas9的巨大力量。

One more thing

在CRISPR-Cas9的获奖中,令人遗憾的是华裔科学家张锋教授。

张锋,1982年出生于河北石家庄,斯坦福大学化学及生物工程博士,是当今最为人所关注的华裔生物学家之一。

他最著名的工作是基因修饰技术CRISPR-Cas9的发展和应用,率先获得了美国专利,并被视为诺贝尔奖的热门人选之一。

可以说,张锋始终是CRISPR基因编辑技术的奠基人之一。

但此次“落选”,也算意料之外,情理之中。

这也不是张锋第一次落选CRISPR相关奖项了。

就在2020年1月14日,2020年度的沃尔夫奖生物学奖就授予了CRISPR基因编辑的两位奠基人:Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier。

张锋未能一同获奖。

而此前与CRISPR相关的2015年科学突破奖、2016年阿尔珀特奖的世界大奖,也都是颁给了Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier等人,而其中并没有包括张锋。

之前有解释说,虽然张锋在CRISPR的应用上做出了巨大的贡献,但是CRISPR的多数奠基工作都是由Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier完成的。

但也有人鸣不平。比如2016年国际基因测序先驱埃里克·兰德(Eric Lander)在国际学术期刊《细胞》(Cell)发表综述文章,总结CRISPR技术的发展历程。

就认为在张锋利用CRISPR在真核细胞生物实现基因编辑之后,CRISPR技术带来了“暴风骤雨般的改变”。

— 完 —

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