最近，紐約大學(xué)隆格尼醫(yī)學(xué)中心的研究人員將經(jīng)過基因編輯的豬的腎臟與腦死亡狀態(tài)的人類志愿者的大腿血管聯(lián)系起來，豬的腎臟很快產(chǎn)生尿液和排泄廢物，正常工作了54個(gè)小時(shí)。

2020年諾貝爾化學(xué)獎頒給了開發(fā)出CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的兩位女性科學(xué)家，這一技術(shù)具有低成本、強(qiáng)易用性和高效率的特點(diǎn)，促進(jìn)了生命科學(xué)的突破性發(fā)展，也使它擁有了巨大的商業(yè)價(jià)值。本文回顧了2020年諾貝爾化學(xué)獎兩位得主的科研歷程和基因編輯領(lǐng)域的成就，并提出了相關(guān)的思考和啟示。

2020年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院宣布2020年諾貝爾化學(xué)獎授予馬克斯·普朗克病原學(xué)研究室的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Marie Charpentier）教授和加州大學(xué)伯克利分校的珍妮弗·杜德納（Jennifer Anne Doudna）教授，以表彰她們“開發(fā)出一種基因編輯方法”。

埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（左）和珍妮弗·杜德納（右）

CRISPR/Cas9“基因剪刀”是基因編輯技術(shù)中最強(qiáng)大的工具之一，具有成本低、易用性強(qiáng)和效率高等特點(diǎn)，為整個(gè)生命科學(xué)的發(fā)展帶來了無限可能。

科研歷程

• 杜德納的生命科學(xué)之旅

珍妮弗·杜德納，1964年出生于美國華盛頓特區(qū)，在父母的鼓勵下，杜德納從小便熱愛探索。

受高中時(shí)一場關(guān)于細(xì)胞癌變的講座影響，她進(jìn)入加州波莫納學(xué)院學(xué)習(xí)生物化學(xué)，畢業(yè)后進(jìn)入哈佛醫(yī)學(xué)院，在杰克·紹斯塔克教授指導(dǎo)下讀博，期間改造了催化性RNA，使之具有自我復(fù)制能力，為證明RNA是早期生命的基礎(chǔ)提供了依據(jù)。

1991年，杜德納進(jìn)入科羅拉多大學(xué)博爾德分校做博士后，致力于RNA微觀構(gòu)造研究；1994年，加入耶魯大學(xué)分子生物物理與生物化學(xué)系擔(dān)任助理教授；2000年擔(dān)任教授并受邀為哈佛大學(xué)客座教授；2002年進(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校。

在加州大學(xué)伯克利分校，杜德納開始接觸與CRISPR相關(guān)的研究。

她注意到，CRISPR結(jié)構(gòu)中非重復(fù)的序列部分可能與多種病毒的遺傳基因相關(guān)，細(xì)菌在自身RNA中保留病毒的遺傳密碼，作為對抗宿敵留下的記錄，并成為免疫系統(tǒng)的一部分，來保護(hù)自身免受病毒的下一次侵害。

這一功能的機(jī)制同杜德納正在研究的RNA干擾非常相似，為了解其運(yùn)作的原理，她的團(tuán)隊(duì)開始關(guān)注一種與CRISPR相關(guān)的特殊基因——Cas。

幾年后，他們成功揭示了數(shù)種不同Cas蛋白質(zhì)的功能，發(fā)現(xiàn)其作用機(jī)理非常復(fù)雜，需要多種不同種類的蛋白質(zhì)共同作用才能夠分解侵入體內(nèi)的病毒，這種系統(tǒng)的復(fù)雜性使得杜德納也感到難以理解。

• 卡彭蒂耶的輾轉(zhuǎn)研究之路

卡彭蒂耶，1968年出生在法國朱維西，1986年進(jìn)入巴黎第六大學(xué)學(xué)習(xí)生物化學(xué)、微生物學(xué)和遺傳學(xué)；1992年進(jìn)入法國巴斯德研究所攻讀博士，研究抗生素抗藥性分子機(jī)制；后進(jìn)入紐約洛克菲勒大學(xué)，在托馬寧教授的實(shí)驗(yàn)室做博士后，研究病原體肺炎鏈球菌利用其可移動基因原件改變其基因組的原理，同時(shí)嘗試闡述肺炎鏈球菌如何產(chǎn)生萬古霉素耐藥性。

而在過去20余年的科研生涯中，卡彭蒂耶曾在5個(gè)國家、7個(gè)城市的10余家不同機(jī)構(gòu)任職，從依賴短期資助經(jīng)營自己的小實(shí)驗(yàn)室，到建立更為理想的科研平臺，她的堅(jiān)持為她帶來了回報(bào)。

2008年加入于默奧大學(xué)，是她研究飛速進(jìn)展的開端，她在對化膿性鏈球菌的RNA測序時(shí)曾注意到，這種細(xì)菌中存在某種未知小分子RNA，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，其基因序列的一部分竟然與自身基因組中的特有CRISPR序列相匹配。

盡管此前并未接觸過CRISPR的研究，但她與團(tuán)隊(duì)迅速開始工作，繪制了化膿性鏈球菌CRISPR系統(tǒng)圖譜。

化膿性鏈球菌的CRISPR/Cas系統(tǒng)屬于II型，僅需要一個(gè)Cas蛋白（Cas9）即可裂解病毒DNA。

卡彭蒂耶也認(rèn)識到，細(xì)菌基因組中的CRISPR與Cas蛋白質(zhì)裂解病毒DNA的過程，必須有這種小分子RNA（tracrRNA）才能夠被激活。

上述成果于2011年3月發(fā)表在Nature上[1]，根據(jù)多年在微生物學(xué)方面的研究經(jīng)驗(yàn)，她知道一些激動人心的事情將要發(fā)生了。

• 波多黎各的相遇

在文章發(fā)表后，卡彭蒂耶受邀參加美國微生物學(xué)會舉辦的學(xué)術(shù)會議，由此結(jié)識了杜德納，兩人決定共同開展CRISPR/Cas9系統(tǒng)的研究。

合作很快就取得了突破性的成果，她們發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)菌受到“入侵”時(shí)，CRISPR序列會轉(zhuǎn)錄出precrRNA（crRNA的前體）和tracrRNA，兩者相結(jié)合形成復(fù)合物，隨后pre-crRNA被加工為帶有單個(gè)病毒密碼的成熟crRNA（CRISPR-derivedRNA），與一同加入連接隊(duì)列的剪切蛋白Cas9共同形成天然的“基因剪刀”，游走在細(xì)菌細(xì)胞中，識別病毒感染并對其進(jìn)行精確切割。

隨后，她們嘗試簡化此結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)將tracrRNA與crRNA分子合二為一，并修改其中負(fù)責(zé)記憶的部分，使之與需要被切割的DNA位點(diǎn)相匹配，最終實(shí)現(xiàn)了在確定的位置精確切割DNA。

• 令人喝彩的大勝利

截止到2021年9月6日，卡彭蒂耶和杜德納于2012年在Science發(fā)表的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的論文[2]總被引次數(shù)為7332。

CRISPR/Cas9技術(shù)論文引用次數(shù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過大量研究，CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)已在不同學(xué)科催生出很多重大成果。

如在植物研究領(lǐng)域，已用于開發(fā)耐干旱、嚴(yán)寒或者霉菌蟲害的作物；在動物研究領(lǐng)域，嘗試制造抗病豬，以及通過設(shè)計(jì)使豬具有含功能性人類細(xì)胞或組織的嵌合器官以用于人類器官移植；在微生物領(lǐng)域，可對釀酒酵母的基因組進(jìn)行編輯；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，正在開展與“基因剪刀”技術(shù)相關(guān)的癌癥新療法臨床試驗(yàn)，有望用于治愈遺傳性疾病。

卡彭蒂耶和杜德納的研究工作也為她們贏得了多個(gè)國際獎項(xiàng)，除諾貝爾化學(xué)獎外，她們還獲得了2014年保羅·詹森博士生物醫(yī)學(xué)研究獎、2015年生命科學(xué)突破獎、2015年格魯伯遺傳學(xué)獎和2016年加拿大蓋爾德納國際獎；卡彭蒂耶還于2016年獲得德國研究基金會的萊布尼茨獎，并當(dāng)選為瑞典皇家科學(xué)院院士。

思考與啟示

• 掌聲為了誰？

當(dāng)我們慶賀CRISPR/Cas9的獲獎時(shí)，也應(yīng)想到這掌聲不僅僅是為了卡彭蒂耶和杜德納兩個(gè)人，更是為了她們所代表的科研中的女性力量以及她們專注于基礎(chǔ)研究的科學(xué)精神。

卡彭蒂耶和杜德納獲得諾貝爾化學(xué)獎，不僅是對CRISPR/Cas9技術(shù)價(jià)值的認(rèn)可，同時(shí)也是對她們所代表的女性科研人員的肯定。

“尤其是對于年輕女性來說，看到女性的工作能夠像男性一樣得到認(rèn)可，這太棒了”。杜德納表示，“我認(rèn)為對于許多女性來說，總是有一種感覺，她們的工作很難像男士一樣得到認(rèn)可，我們一直在期待著這種現(xiàn)狀被改變，當(dāng)然，我們現(xiàn)在就走在正確的路上”。

卡彭蒂耶也認(rèn)為，自己得到認(rèn)可，對于想要開始并長時(shí)間從事科研工作的年輕女性來說是一個(gè)非常積極的信息。

當(dāng)女性科研工作者能夠受到與男性同樣的認(rèn)可與期待，她們完全能夠做出毫不遜色的科研成果以回饋社會。

正在從事不被看好或曾經(jīng)不被看好的基礎(chǔ)研究的科學(xué)家也應(yīng)為此慶祝。

應(yīng)用研究固然有推動社會發(fā)展的價(jià)值，但探究性的基礎(chǔ)研究亦有不可取代的作用，有時(shí)甚至比應(yīng)用研究更重要。

古細(xì)菌中的常見的回文重復(fù)序列簇集看似無用，而據(jù)其發(fā)現(xiàn)的“基因剪刀”卻深刻改變了生命科學(xué)。

諾貝爾獎獲得者薩拉姆也認(rèn)為，“一個(gè)國家，特別是發(fā)展中國家要想得到長足的進(jìn)步與國力的發(fā)展，那就必須重視基礎(chǔ)科學(xué)”，科學(xué)家“需要明智的科學(xué)政策，長期的保證，慷慨的資助，以及實(shí)行自治和自由的國際交往”。

如此才能更高效地工作，不斷推進(jìn)國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而提升綜合國力和國際影響力。

• 是勝利還是陷阱？

CERISPR/Cas9技術(shù)的發(fā)現(xiàn)也引發(fā)了許多人的憂慮。

當(dāng)我們擁有了輕易改造整個(gè)種群的基因的能力，控制這種能力就成為一件至關(guān)重要的事。

在推動技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，兩位技術(shù)開發(fā)者也表現(xiàn)出了對于CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)被誤用的擔(dān)心，并嘗試著與多國科研工作者共同推動CRISPR/Cas9技術(shù)的研究與應(yīng)用朝著更加明智的方向發(fā)展。

以納帕谷會議為起點(diǎn)，杜德納已在世界各地發(fā)表了60余次演講，以鼓勵人們充分了解并積極參與CRISPR技術(shù)應(yīng)用范圍的討論。

2015年12月，由中國科學(xué)院與美國國家科學(xué)院、美國國家醫(yī)學(xué)院和英國皇家學(xué)會聯(lián)合舉辦的人類基因編輯國際峰會上，與會專家學(xué)者達(dá)成了協(xié)議，包括：允許利用基因編輯技術(shù)進(jìn)行修改人類胚胎或生殖細(xì)胞的研究，但嚴(yán)格禁止經(jīng)過修改的生殖細(xì)胞繼續(xù)生存、發(fā)育。

基因編輯技術(shù)的影響廣泛且深遠(yuǎn)，面對其發(fā)展問題，國際社會必須樹立人類命運(yùn)共同體意識。

后續(xù)如何加強(qiáng)技術(shù)交流與合作，在法律法規(guī)及倫理道德方面達(dá)成一致共識，仍需要國際范圍內(nèi)科學(xué)界和社會各界的共同努力與持續(xù)溝通。

• 快速商業(yè)化是喜是憂？

商業(yè)化是推動技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力，CRISPR/Cas9技術(shù)迅速發(fā)展，其巨大的商業(yè)潛力催生了一批公司。

很多傳統(tǒng)大型醫(yī)藥公司與CRISPR技術(shù)持有者進(jìn)行合作研發(fā)并給予資金支持，此外市場投資方對CRISPR/Cas9技術(shù)的商業(yè)價(jià)值也保持著持續(xù)關(guān)注。

《CRISPR技術(shù)市場概述：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界2018》中指出，CRISPR/Cas9技術(shù)的市場將在生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用推動下以44%的年增長率持續(xù)，到2023年預(yù)計(jì)可增長至50億美元。

其中，基因治療作為經(jīng)濟(jì)前景最廣闊的領(lǐng)域，相關(guān)募資總額在2018年已達(dá)近39億美元，對于該技術(shù)未來可能達(dá)到的整體市場規(guī)模來說，這是一個(gè)非常積極的信號。

但與此同時(shí)，大量資本涌入也可能催生一定的問題。

為了追求投資回報(bào)、爭奪市場的主導(dǎo)權(quán)，資本必將不斷催促科研工作者進(jìn)行更快速、深入的研發(fā)。

在此過程中，如何保證既有的約定不被打破，進(jìn)而保證CRISPR/Cas9技術(shù)的純潔性，是一個(gè)需要全球科研工作者和政府部門、國際組織等共同面對的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] Deltcheva E, Chylinski K, Sharma C M, et al. CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III[J]. Nature, 2011, 471(7340): 602-607.

[2] Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity[J]. Science, 2012, 337(6096): 816-821.

本文作者：陳彪，付小航，朱玥瑋，狄雨萌，吳又進(jìn)

作者簡介：陳彪，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系，副教授，研究方向?yàn)榭萍际?、科技考古；吳又進(jìn)（通信作者），中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系，副研究員，研究方向?yàn)榭萍际?、科技考古?/p>

論文全文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2021年第20期，原標(biāo)題為《埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶、珍妮弗·杜德納：因CRISPR/Cas9“基因剪刀”而獲2020年諾貝爾化學(xué)獎的兩位女科學(xué)家》，本文有刪減，歡迎訂閱查看。