来源:药明康德

  北京时间今天下午,诺贝尔基金会宣布,近年来火热的CRISPR基因编辑系统斩获本年度的诺贝尔化学奖,在这一领域做出卓越贡献的Emmanuelle Charpentier教授和Jennifer Doudna教授摘得桂冠。正如人们所说的那样,这一革命性的发现为整个生物技术领域提供了无限可能。

▲今年的诺贝尔化学奖得主(图片来源:参考资料[1])

▲今年的诺贝尔化学奖得主(图片来源:参考资料[1])

  地中海边的神奇发现

  CRISPR基因编辑系统的故事还要从一座名为圣波拉(Santa Pola)的地中海小城说起。30年前,一位名为Francisco Mojica的年轻人在当地的一所大学开始攻读博士学位,而他的研究对象,就是圣波拉海滩上发现的一种古细菌。

  ▲CRISPR基因编辑的诞生,离不开Francisco Mojica教授的发现(图片来源:BBVA Foundation)

  在分析这种古细菌的DNA序列时,年轻的Mojica观察到了一个有趣的现象——这些微生物的基因组里,存在许多奇怪的“回文”片段。这些片段长30个碱基,而且会不断重复。在两段重复之间,则是长约36个碱基的间隔。对于这种具有规律性的重复,Mojica后来给它起了一个拗口的名字“常间回文重复序列簇集”(Clustered Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeats)。不过它的缩写好记多了,它就是本文的主角CRISPR。

  事实上,这并不是人类首次发现CRISPR序列。早在1987年,一支日本团队(石野良纯教授为第一作者)就已发表论文,表明大肠杆菌里也有类似的序列。不少科学家认为,这是人类首次知道CRISPR序列的存在。然而,这支日本团队当时并没有对CRISPR序列进行详细的研究,因此它的功能还不为人所知晓。

  ▲1987年的这篇论文,可能是人类首次知道CRISPR序列的存在(图片来源:参考资料[3])

  Mojica教授推断说,如果两种有着巨大差异的微生物里都有这种奇怪的序列,这就说明它肯定有着某种特殊的功能。在成立了自己的实验室后,他又发现大约另外20多种微生物里,同样具有CRISPR序列。然而,这种奇怪序列的功能,却迟迟未能得到解答。

  微生物的“免疫系统”

  为了寻找CRISPR序列的功能,Mojica教授每天都在数据库里痛苦地搜索,想要发现这些奇怪序列的意义。2003年,大海捞针般的探索,还真的给他找到了一片新天地!Mojica教授发现,一些大肠杆菌内的CRISPR序列,与一种叫做“P1噬菌体”的病毒的序列高度吻合。顾名思义,噬菌体是一种能够“吃掉”细菌的病毒,这一种噬菌体也的确能够攻击大肠杆菌。但有意思的是,Mojica教授所研究的这批大肠杆菌,竟能完全不受P1噬菌体的感染!

  Mojica教授立刻意识到,这与人类的免疫系统何其相似!在人体里,免疫系统会记住过去遇到过的病原体的模样。等到病原体入侵时,就会对其发起攻击。而在大肠杆菌细胞内,CRISPR序列也同样能让细菌记住噬菌体的模样,抵抗病毒的感染。

  ▲一种微生物体内的CRISPR系统的工作原理(图片来源:参考资料[2])

  为了这一刻,Mojica教授已经等待了18个月的漫长时光。兴奋的他在2003年向《自然》杂志投去了他的研究结果。很快,《自然》的编辑以“早就知道了”为由,拒绝发表这项研究。不久后,《美国国家科学院院报》(PNAS)也以“缺乏新颖性和重要性”,同样予以拒绝。再之后,Molecular MicrobiologyNucleic Acid Research两本期刊也给Mojica教授发了拒信。万念俱灰之下,他把论文投给了Journal of Molecular Evolution,一本影响因子不到2分的期刊。即便如此,这篇论文还是经过了长达一年的修改和审核,才最终得以发表。此时,已是2005年2月。

  切开DNA的魔剪

  在接下来的几年里,科学家们对CRISPR序列的作用做了进一步的完善,并阐明了它的详细机理。原来在病毒感染细菌后,CRISPR序列会喊来帮手,形成一个具有核酸切割能力的复杂结构,并最终切断病毒的DNA。对于细菌来说,这是从源头清除病毒感染的好方法。

  但对生物学家来说,这套细菌的“免疫系统”,让他们看到了精准切割DNA的希望!或许,它能被开发成为一种高效的基因编辑方法。2012年,维也纳的Emmanuelle Charpentier教授与加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的Jennifer Doudna教授在《科学》杂志上发表了她们的发现,确认她们所设计的CRISPR-Cas9基因编辑系统(Cas9是一种能切割DNA的内切酶)能在DNA的特定部位“定点”切开口子。在论文中,她们也指出将来有潜力利用这个系统,对基因组进行编辑。

  ▲Emmanuelle Charpentier教授与Jennifer Doudna教授报道的CRISPR基因编辑系统(图片来源:参考资料[4])

  这里还有一个小插曲。在立陶宛,一名叫做Virginijus Siksnys的科学家也在研究使用CRISPR系统编辑基因的潜力。虽然他的论文投出的时间更早,但不幸被《细胞》杂志的编辑所拒,只能转投《美国国家科学院院报》。这也使得他的论文最终要晚上2个月上线。

  ▲张锋教授团队也报道了CRISPR基因编辑系统的重要应用(图片来源:参考资料[5])

  2013年新年伊始,《科学》杂志再度刊登了一篇关于CRISPR系统的重磅文章。这一次,主导这项研究的是Broad研究所的张锋教授。论文里,科学家们首次将CRISPR技术应用到了哺乳动物细胞内,并证明它能在短短几周之内,就建立起小鼠的疾病模型。随后,这支团队也首次在人类细胞中成功使用CRISPR-Cas系统完成了基因编辑。

  发展与争议

  自CRISPR-Cas9基因编辑技术诞生以来,科学家们对其进行了大量的优化与改造。一方面,现在的CRISPR基因编辑技术可以变得更精准,带来更少的脱靶效应(指修改了不应修改的基因);另一方面,CRISPR系统也已经超越了DNA,能够对RNA进行有效编辑。

  此外,初代的CRISPR技术涉及DNA双链的断裂,会引起潜在的风险。如今,科学家们基于CRISPR体系,已经开发出了“单碱基”基因编辑系统,能够对基因进行“微调”。如果说以前的基因编辑,是把书的一页纸撕下,再粘上一页新的纸的话,这种“单碱基”基因编辑系统,就好像是把书页上的错别字给单独修改,有着更高的精度。

  ▲和CRISPR或Cas9有关的论文数近年来呈指数上升(图片来源:参考资料[7])

  当然,围绕着CRISPR的争议也不少。自这项技术问世以来,有关CRISPR基因编辑技术的专利就一直是个热议的问题,迄今也没有得到完美解决。此外,人们虽然确信CRISPR基因编辑技术迟早会得诺奖,但哪几位科学家能最终获奖,不同的人也会有不同的看法。

  我们在这里也强调,随着时代的发展,当今科学的突破性进步,往往不再依赖一两名科学家的“尤里卡时刻”,而是要靠群体智慧的多年合作。我们祝贺今日斩获诺奖的这两名科学家,也同样感谢其他辛勤工作的科研人员们。没有所有参与者的加入,CRISPR基因编辑技术势必难以得到如此迅猛的发展。在这里,我们也向这些科学家们致以崇高敬意!

  本文题图:123RF

  参考资料:

  [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


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