利用“基因剪刀”,研究人员可以编辑几乎所有生命体的基因组利用“基因剪刀”,研究人员可以编辑几乎所有生命体的基因组

  专题:2020年诺贝尔奖

  2020诺贝尔化学奖揭晓!“基因剪刀”编辑方法获奖

  新浪科技讯 北京时间10月7日消息,2020年诺贝尔化学奖授予了Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna,这两位科学家开发了基因技术中最锐利的工具之一:CRISPR/Cas9基因编辑技术。该技术也被称为“基因剪刀”。利用这一技术,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。

  科学的吸引力之一在于其不可预测性——你永远不可能事先知道一个想法或问题会将你引向何处。对于一个充满好奇心的人,有时会遇到死胡同,有时则会遇到一个充满障碍、需要数年才能走完的迷宫。但是,正是通过一次次探索,我们才能看到无限的可能。

  CRISPR-Cas9基因编辑技术就是这样一个具有惊人潜力的意外发现。当Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna开始研究链球菌的免疫系统时,她们的一个想法是或许能够开发出一种新的抗生素。然而,最终她们却发现了一种分子工具,可以在遗传物质上进行精确的切割,使修改生命密码成为可能。

  影响重大的分子工具

  在她们的发现仅仅8年之后,这些“基因剪刀”已经重塑了生命科学。通过这种技术,生物化学家和细胞生物学家现在可以很容易地研究不同基因的功能,以及它们在疾病进展中的可能作用。

  在植物育种中,研究人员可以赋予植物特殊的性状,比如在更温暖的气候下抵御干旱的能力。在医学方面,这个基因编辑器正在为新的癌症疗法和最早尝试治愈遗传疾病的研究做出贡献。CRISPR-Cas9的潜力几乎是无穷无尽的,但其中也包括一些不道德的应用。与所有强大的技术一样,这些“基因剪刀”需要加以管理,这方面之后将详细介绍。

  2011年,无论是Emmanuelle Charpentier还是Jennifer Doudna,都不知道她们在波多黎各一家咖啡馆的第一次见面会如何改变她们的一生。我们的介绍将从Charpentier开始,她最初提出了合作的建议。

  Charpentier对致病菌的兴趣

  在有些人眼中,Emmanuelle Charpentier充满激情、认真细心并且十分投入。还有人说,Charpentier总是在寻找意想不到的东西。她自己,则引用路易斯•巴斯德(Louis Pasteur)的话,“机会青睐有准备的人”。对新发现的渴望,以及对自由和独立的向往主导着她的研究道路,包括她在巴黎巴斯德研究所的博士学业。她还曾在5个国家的7个城市生活过,在十个不同的机构工作过。

  尽管所处的环境和研究方法都发生了变化,但她的大部分研究都有一个共同点:致病菌。这些微生物为什么如此富有侵略性?它们如何发展出抗生素耐药性?有没有可能找到新的治疗方法来阻止它们?

  2002年,当Emmanuelle Charpentier在维也纳大学成立自己的研究小组时,她把重点放在了对人类危害最大的一种细菌:化脓性链球菌(学名:Streptococcus pyogenes)。每一年,这种病菌会感染数百万人,往往导致一些容易治疗的感染症状,如扁桃体炎和脓疱炎。然而,它也会导致危及生命的败血症,并破坏体内的软组织,因此又被称为“噬肉者”。

  为了更好地了解化脓性链球菌,Charpentier开始深入研究这种细菌的基因是如何调控的。这一决定是“基因剪刀”发现之路上的第一步,而当我们继续追溯这条道路时,我们会了解更多关于Jennifer Doudna的信息。因为当Charpentier对化脓性链球菌进行仔细研究时,Doudna第一次听到了一个缩写,听起来很像“crisper”。

  侦探小说般的科学故事

  作为一个在夏威夷长大的孩子,Jennifer Doudna有着强烈的求知欲。一天,她的父亲把詹姆斯·沃森的书《双螺旋》(The Double Helix)放在她的床头。这是一个关于詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克如何解决DNA分子结构的故事,如同侦探小说般有趣,和她在学校教科书里读到的完全不同。她被科学探索的过程所吸引,并意识到科学不仅仅是事实。

  然而,当Doudna开始尝试解决科学谜题时,她的注意力并不在DNA上,而是另一种遗传分子:RNA。2006年,她在加州大学伯克利分校领导一个研究小组,已经有20年的RNA研究经验。她是一位成功的研究者,以擅长突破性的研究项目著称。后来,她进入了一个令人兴奋的新领域:RNA干扰(RNA interference)。

  多年来,研究人员一直认为他们已经十分了解RNA的基本功能,但突然间,他们发现了许多小的RNA分子在帮助调节细胞中的基因活动。2006年,由于在RNA干扰方面的研究,Jennifer Doudna接到了一位同事的电话。

  携带古老免疫系统的细菌

  那位微生物学家同事告诉Doudna一项新的发现:研究人员比较了不同细菌和古菌的遗传物质,发现一类保存得非常之好的重复DNA序列。同样的基因片段一遍又一遍地出现,但是在重复的过程中,有一些独特的序列发生了变化(图2),就像同一单词在一本书的每一个独特的句子中被不断重复。

  这些重复片段的排列称为“常间回文重复序列丛集”(clustered regularly interspaced short palindromic repeats),缩写为CRISPR。有趣的是,CRISPR中独特的、非重复的序列似乎与多种病毒的遗传密码相匹配。因此目前的观点认为,这是一个古老免疫系统的一部分,可以保护细菌和古菌免受病毒的伤害。科学家假设,如果一个细菌成功地从病毒感染中存活下来,它就会在其基因组中加入一段病毒的遗传密码,作为感染的“记忆”。

  Doudna的同事称,还没有人知道这一切是如何运作的,但据推测,细菌用来中和病毒的机制可能类似于Doudna的研究:RNA干扰。

  待续未完,持续更新


新闻来源:新浪