基因魔剪在貧血癥等領(lǐng)域展露鋒芒，諾獎前同事回顧CRISPR技術(shù)誕生的前夜
上周六，基因編輯新銳公司CRISPR Therapeutics 和Vertex公司利用基因編輯技術(shù)治療鐮刀型貧血和地中海貧血，在接受治療后患者的紅細胞得到修復(fù)，血液中血紅蛋白水平升高，且基因編輯技術(shù)無脫靶效應(yīng)。基因編輯技術(shù)用于臨床治療的大幕已徐徐開啟。
值得一提的是CRISPR Therapeutics的創(chuàng)始人之一Emmanuelle Charpentier，今年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。自這項技術(shù)2012年誕生之后就被廣泛關(guān)注，且廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，從作物品種改良到對動物基因的修飾。本文邀請上海巴斯德研究所研究員晁彥杰為我們解讀基因編輯技術(shù)。
早在10年前，CRISPR基因編輯技術(shù)還在襁褓之中，晁彥杰就加入了Charpentier的研究團隊，尋找CRISPR-Cas9系統(tǒng)中的關(guān)鍵組分，沒想到它誕生后會有如此巨大的殺傷力。
圖片來自nobelprize.org
開篇話
10月7日，突然在手機上看到新聞推送，Emmanuelle Charpentier被授予了2020年諾貝爾化學(xué)獎，心中特別的感慨，在世界時局不安的今年，諾貝爾獎終于頒給了CRISPR-Cas9的發(fā)現(xiàn)。等待了好幾年的期望又失望，今日終究成了現(xiàn)實，我由衷地為Charpentier老師感到開心，并在第一時間給她發(fā)送了問候與祝賀的郵件。
我是2008年起開始微生物非編碼RNA研究的，在德國馬普感染生物學(xué)研究所學(xué)習(xí)，導(dǎo)師是J?rg Vogel。在他給我安排的眾多課題中，其中有一個就是利用高通量測序技術(shù)尋找與CRISPR-Cas有關(guān)的小RNA，但是我在模式細菌中找了很久都沒有什么發(fā)現(xiàn)。直到后來，導(dǎo)師與Charpentier建立合作，在化膿性鏈球菌中有了意外的驚喜，首次鑒定到了一個與CRISPR-Cas相關(guān)的未知小RNA，即tracrRNA。
導(dǎo)師第一時間告訴了Charpentier，由她們在細菌里進行傳統(tǒng)的遺傳學(xué)功能實驗驗證，由我們實驗室利用體外RNA試驗系統(tǒng)進行驗證。我也放下了手頭一切的其它工作，一頭鉆進同位素實驗室研究tracrRNA與CRISPR RNA之間的關(guān)系；一步步地證明了這兩個RNA不但可以互相結(jié)合，而且會被雙鏈RNA酶切割加工之后，產(chǎn)生具有免疫功能的CRISPR小RNA。
后來在論文投稿的過程中，我也承擔(dān)了絕大部分的修回實驗工作，每天都與導(dǎo)師和Charpentier聯(lián)系溝通新的結(jié)果與發(fā)現(xiàn)，在2個月修回的時間里每天工作到凌晨，直到2010年圣誕節(jié)前才完成了所有突變體補充實驗。我的這些努力與實驗結(jié)果確保了2011年Nature論文的及時發(fā)表，并且提供了正文中關(guān)鍵的一張大圖，得到了導(dǎo)師與Charpentier的肯定與贊賞。
能夠有機會參與到這個具有歷史意義的科學(xué)研究中，做出一點點自己的貢獻，我也感到非常滿足與自豪。后來美國科學(xué)院院士、伯德研究所所長Eric Lander發(fā)文重點評價了這篇論文，認為tracrRNA是了解CRISPR-Cas9系統(tǒng)最關(guān)鍵的一張拼圖，將（德國小城）維爾茨堡和我導(dǎo)師的名字一起列入到了CRISPR英雄榜中?！?/span>
撰文 | 晁彥杰 （中國科學(xué)院上海巴斯德研究所研究員）
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2020年10月7日傍晚，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2020年諾貝爾化學(xué)獎授予德國馬普學(xué)會的Emmanuelle Charpentier和加州大學(xué)伯克利分校的Jennifer A. Doudna兩位女性科學(xué)家。二人將得到共計1000萬瑞典克朗的獎金（約相當(dāng)于650萬人民幣），以獎勵二者在自然界中發(fā)現(xiàn)了CRISPR-Cas9這個“基因剪刀”，并將其開發(fā)成為一種高效的基因組編輯工具。
2020年諾貝爾化學(xué)獎兩位得主，圖片來自nobelprize.org
在此之前，諾貝爾化學(xué)獎的榮譽僅僅授予過5位女性，其中就包含了居里夫人（1911）及其女兒約里奧-居里（1935）二人。自1901年諾貝爾獎設(shè)立以來，Charpentier和Doudna是第六位和第七位獲得諾貝爾化學(xué)獎的女性。同時，這也是歷史上首次一項諾貝爾獎同時授予兩位女性科學(xué)家。一方面反映了女性在當(dāng)今社會中的不斷提升的地位與成就，另一方面也為眾多女性研究生和青年科技工作者樹立了一個成功的終極榜樣。
Charpentier獲獎當(dāng)天發(fā)言時特意強調(diào)，“希望她們的獲獎可以給全球的年輕女孩傳遞一個強有力的信號”。
其實早在2014年起，Charpentier和Doudna就已經(jīng)被認為是最有可能、最熱門的諾貝爾獎人選。她們的獲獎僅僅是一個時間問題。雖然Charpentier曾謙虛地表示諾貝爾獎只是一個細微的可能性，但Charpentier和Doudna兩人已經(jīng)包攬了世界上各種各樣的科學(xué)大獎。
據(jù)不完全統(tǒng)計，在過去6年間，Charpentier共獲得37項重要的科學(xué)獎勵與榮譽，包括了2015突破獎，2016唐獎，2017日本國際獎，2018科維理獎，2020沃爾夫醫(yī)學(xué)獎等等。其中大部分獎項與Doudna共同獲得，僅有極個別獎項與其它CRISPR學(xué)者分享，如華人學(xué)者張鋒和立陶宛學(xué)者Virginijus ?ik?nys。因此Charpentier和Doudna二人獲得2020年諾貝化學(xué)獎可以說是毫無懸念，甚至是眾望所歸。
CRISPR-Cas9的發(fā)現(xiàn)能夠受到諾貝爾獎的青睞完全不是偶然。作為一個可被編程的編輯工具，CRISPR-Cas9可以聽從指揮、精確地切割任何一段基因序列，被譽為是一種可以編輯和改寫生命密碼的強大的文字處理器。
自從2006年成功完成人類基因組計劃之后，CRISPR-Cas9有可能是這個世紀(jì)人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，未來在各行各業(yè)中都將帶來巨大的變革?？梢灶A(yù)見在不遠的將來，人們可以利用CRISPR-Cas9技術(shù)，在更短時間內(nèi)、更精確地修正動物、植物、微生物和病毒的基因突變，淘汰耗時費力的傳統(tǒng)遺傳育種技術(shù)，獲得更優(yōu)質(zhì)的生物制品，治療先天性遺傳疾病，給癌癥患者帶來福音。
通常情況下，科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往需要經(jīng)過長時間的考驗才會被社會廣泛接受與承認。但是CRISPR-Cas9作為基因編輯工具在2012年被報道后，僅僅8年時間就被授予了諾貝爾獎。這可能是歷史上頒獎最快的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，足以見證CRISPR-Cas9給世界帶來革命一般的迅猛變化和巨大的影響力。
CRISPR-Cas9其實是小小微生物內(nèi)部的一套免疫系統(tǒng)，并不是天外來客。它的發(fā)現(xiàn)過程有一段傳奇般的歷史。最初，科學(xué)家們并不知道CRISPR-Cas9能有什么用，而是他們在追尋好奇心、堅持從事基礎(chǔ)研究的過程中的一個偶然發(fā)現(xiàn)。CRISPR-Cas9的發(fā)現(xiàn)離不開眾多科學(xué)家、尤其是微生物學(xué)家早期的努力與堅持，這背后本身也是一段有趣的故事。
故事始于大約30年前。90年代初，一位名叫Francisco Mojica的西班牙學(xué)者第一次在微生物中注意到了CRISPR的存在。CRISPR代表著Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，即一段非常有規(guī)律的重復(fù)性序列。當(dāng)時人們對基因序列的了解非常少，Mojica等人也對CRISPR的功能百思不得其解，提出了很多可能的假說，但是數(shù)年間一直毫無進展。
這種情況大概持續(xù)了15年的時間。直到2005年之后，CRISPR的研究進展突然走上了高速路。事情的起因來自于一家酸奶公司內(nèi)部研究的偶然發(fā)現(xiàn)。這家公司制作酸奶使用的嗜熱鏈球菌，會被一種細菌病毒（噬菌體）破壞，因此公司希望能找到一種能抵抗噬菌體的菌株，提高酸奶生產(chǎn)效率。實驗發(fā)現(xiàn)篩選出的細菌中，CRISPR的序列發(fā)生了明顯的變化，首次證實 CRISPR的功能與抵抗噬菌體感染有關(guān)，而且這種功能需要CRISPR旁邊的Cas蛋白質(zhì)的參與?？茖W(xué)家們第一次認識到，CRISPR-Cas構(gòu)成了微生物中最原始的獲得性免疫系統(tǒng)，與人體免疫系統(tǒng)一樣，不但能識別外來入侵者而且具有記憶力！
自此之后，對微生物獲得性免疫系統(tǒng)的研究進入了如火如荼的黃金十年。人們都爭先恐后地想弄清楚這套免疫系統(tǒng)的工作機制，例如CRISPR-Cas是如何識別出外來入侵者的，如何摧毀它們，又是如何保存這段記憶的。在這個過程中，許多科學(xué)家對解析CRISPR-Cas都做出了卓越的貢獻。早期比較突出的是一位荷蘭學(xué)者John van der Oost。2008年，他帶領(lǐng)的團隊首次發(fā)現(xiàn)CRISPR其實是一段非編碼RNA，經(jīng)過剪切加工后，與多個Cas蛋白質(zhì)組裝成了一個大型的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，形成一套功能獨立的免疫系統(tǒng)，保護大腸桿菌不受噬菌體的威脅。
雖然大腸桿菌的CRISPR免疫系統(tǒng)也具備基因組編輯的潛力，但在當(dāng)時并未引起大多數(shù)人的注意。因為這套系統(tǒng)包含了5個完全不同的蛋白質(zhì)，人工改造利用的難度較大；而且另一個關(guān)鍵問題沒有解決，這些蛋白質(zhì)究竟是怎么樣摧毀病毒的？
同樣是在2008年，美國芝加哥西北大學(xué)的一位微生物學(xué)博士后Luciano Marraffini完美地回答了這個問題。他通過巧妙的實驗設(shè)計，首次證明了CRISPR-Cas的作用對象是DNA，用切割的方式摧毀外來DNA，為“基因剪刀”的概念提供了堅實的理論支持，并大膽地預(yù)測CRISPR-Cas未來有可能用于編輯基因。
大約在同一時間，法國微生物學(xué)家Emmanuelle Charpentier開始與我的導(dǎo)師J?rg Vogel合作，在德國馬普感染生物學(xué)研究所開始對化膿性鏈球菌的RNA轉(zhuǎn)錄圖譜進行分析，意外地發(fā)現(xiàn)了一個與CRISPR相關(guān)的新分子，即tracrRNA。為了盡快弄清tracrRNA的功能，2009年起我也加入到這個課題中，負責(zé)完成離體的RNA實驗工作。我們發(fā)現(xiàn)tracrRNA與CRISPR RNA通過堿基配對的方式相互結(jié)合，引導(dǎo)CRISPR RNA的剪切與加工。我們的結(jié)果證明了tracrRNA是CRISPR-Cas系統(tǒng)的最主要的組分之一，對其免疫功能至關(guān)重要。更為關(guān)鍵的是，我們發(fā)現(xiàn)化膿性鏈球菌中的CRISPR免疫系統(tǒng)比大腸桿菌要簡單的多，只需要1個蛋白質(zhì)的參與！這個蛋白質(zhì)就是后來大名鼎鼎的Cas9，而這套最精簡的CRISPR-Cas9系統(tǒng)，成為了打開基因組編輯之門的一把萬能鑰匙。
這把鑰匙第一次開啟基因組編輯之門，來自于Emmanuelle Charpentier與美國RNA生物化學(xué)家Jeniffer Doudna的成功合作。從2011年3月二人相識到2012年6月論文被《科學(xué)》雜志接受，短短的一年時間內(nèi)，她們的團隊不僅成功弄清了CRISPR-Cas9核酸酶的工作機制，更將CRISPR RNA和tracrRNA融合改造成一條更加易用的向?qū)NA （guide RNA），第一次實現(xiàn)了對DNA的定點切割與編輯，首先對CRISPR-Cas9技術(shù)申請了專利，攜手拉開了基因組編輯時代的大幕。
2012年起，CRISPR-Cas9的研究進入了爆發(fā)式增長，大量基于CRISPR-Cas9的應(yīng)用技術(shù)得以發(fā)明。僅僅一年之后的2013年，George Church、張鋒等人將CRISPR-Cas9技術(shù)應(yīng)用到了真核細胞中，證實CRISPR-Cas9可以實現(xiàn)對哺乳動物細胞的基因組編輯，而且在多種不同的細胞中都獲得了較高的效率。這些人很快預(yù)見到了CRISPR-Cas9未來在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域各種各樣的臨床應(yīng)用，成立了很多小型的初創(chuàng)公司進行臨床開發(fā)工作，如Editas，CRISPR Therapeutics，Intellia Therapeutics等，現(xiàn)在都已在紐約證券交易所成功上市，資產(chǎn)達上億美金。CIRPSR-Cas9獲獎之后，這些CRISPR概念股一夜之間上漲了近三成。CRISPR-Cas9技術(shù)巨大的應(yīng)用價值和迅速的市場轉(zhuǎn)化，令科學(xué)發(fā)現(xiàn)與資本市場、股票交易、專利權(quán)官司等緊密地聯(lián)系起來，這在諾貝爾獎歷史上也是非常少見的。
不僅僅是臨床治療與醫(yī)藥領(lǐng)域，CRISPR-Cas9的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用也完全改變了生命科學(xué)的研究方式，一手推動了高等生物的科研工作全面跨入了“后基因組”或“功能基因組”時代。利用CRISPR-Cas9技術(shù)，幾周時間就可以在動物細胞內(nèi)刪除或改造一個基因，幾個月時間就能獲得一個基因改造過的動物品系，極大地加快了科研工作的進程，使一些以前不可能完成的任務(wù)變?yōu)榭赡?。這些工作以前往往需要花費數(shù)十倍的投入和時間，甚至需要幾代博士生的連續(xù)努力和失敗。而現(xiàn)在，CRISPR-Cas9將基因敲除變成了每個實驗室的常規(guī)技術(shù)，任何一個受過簡單訓(xùn)練的技術(shù)員都可以完成。最近幾年，CRISPR-Cas9技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了高通量、規(guī)?；碾A段，一次實驗可以篩選幾萬個基因的功能，使科學(xué)家們能夠迅速找到關(guān)鍵的疾病基因。例如我國著名科學(xué)家、中科院院士邵峰研究員，利用CRISPR-Cas9高通量篩選，成功地在人體細胞中找到了一個識別病原菌危險信號的新受體蛋白，充分展現(xiàn)出CRISPR-Cas9作為一個技術(shù)工具在現(xiàn)代生命科學(xué)研究中的重要作用。
科技改變世界，科技改變未來。這次諾貝爾化學(xué)獎，讓我們每個人都切身地感受到，一個在小小微生物中的基礎(chǔ)研究成果，如何迅速地發(fā)展成為一個改變世界、改變未來的“基因魔剪”。不過值得驕傲的是，這一次中國學(xué)者并沒有落后，對CRISPR-Cas9技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出了大量的貢獻。中國科學(xué)家們不但發(fā)展出了很多新的基因組編輯工具，而且已經(jīng)在生命、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、海洋等許多不同的領(lǐng)域找到了CRISPR-Cas9的用武之地。
這一次，CRISPR-Cas9的時代已經(jīng)到來。未來，希望廣大同學(xué)們能夠繼續(xù)投身到更加前沿的基礎(chǔ)科學(xué)研究，做出原始創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)，引領(lǐng)下一次的科技革命浪潮。正如Doudna所說：“從事科學(xué)研究的目的不是為了拿獎，我們只是希望能了解奇妙的大自然”。大自然孕育生命的宏偉進程，加上科學(xué)家們對了解自然規(guī)律的好奇心，未來必將源源不斷地造就出各種各樣“偶然”的奇跡。而下一個發(fā)現(xiàn)奇跡的人，可能就是那個駐足觀察琢磨的你和我。
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制版編輯 | Morgan
