基因魔剪在貧血癥等領(lǐng)域展露鋒芒，諾獎(jiǎng)前同事回顧C(jī)RISPR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(xì)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(jiǎng)。自這項(xiàng)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(gè)領(lǐng)域，從作物品種改良到對(duì)動(dòng)物基因的修飾。本文邀請(qǐng)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(tuán)隊(duì)，尋找CRISPR-Cas9系統(tǒng)中的關(guān)鍵組分，沒想到它誕生后會(huì)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(jī)上看到新聞推送，Emmanuelle Charpentier被授予了2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，心中特別的感慨，在世界時(shí)局不安的今年，諾貝爾獎(jiǎng)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(shí)，我由衷地為Charpentier老師感到開心，并在第一時(shí)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(guó)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(gè)就是利用高通量測(cè)序技術(shù)尋找與CRISPR-Cas有關(guān)的小RNA，但是我在模式細(xì)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(gè)與CRISPR-Cas相關(guān)的未知小RNA，即tracrRNA。
導(dǎo)師第一時(shí)間告訴了Charpentier，由她們?cè)诩?xì)菌里進(jìn)行傳統(tǒng)的遺傳學(xué)功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由我們實(shí)驗(yàn)室利用體外RNA試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。我也放下了手頭一切的其它工作，一頭鉆進(jìn)同位素實(shí)驗(yàn)室研究tracrRNA與CRISPR RNA之間的關(guān)系；一步步地證明了這兩個(gè)RNA不但可以互相結(jié)合，而且會(huì)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(shí)驗(yàn)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(gè)月修回的時(shí)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(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。我的這些努力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果確保了2011年Nature論文的及時(shí)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(jī)會(huì)參與到這個(gè)具有歷史意義的科學(xué)研究中，做出一點(diǎn)點(diǎn)自己的貢獻(xiàn)，我也感到非常滿足與自豪。后來美國(guó)科學(xué)院院士、伯德研究所所長(zhǎng)Eric Lander發(fā)文重點(diǎn)評(píng)價(jià)了這篇論文，認(rèn)為tracrRNA是了解CRISPR-Cas9系統(tǒng)最關(guān)鍵的一張拼圖，將（德國(guó)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(guó)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(jiǎng)授予德國(guó)馬普學(xué)會(huì)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(jì)1000萬瑞典克朗的獎(jiǎng)金（約相當(dāng)于650萬人民幣），以獎(jiǎng)勵(lì)二者在自然界中發(fā)現(xiàn)了CRISPR-Cas9這個(gè)“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(jiǎng)兩位得主，圖片來自nobelprize.org
在此之前，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的榮譽(yù)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(jiǎng)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(jiǎng)的女性。同時(shí)，這也是歷史上首次一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)同時(shí)授予兩位女性科學(xué)家。一方面反映了女性在當(dāng)今社會(huì)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(gè)成功的終極榜樣。
Charpentier獲獎(jiǎng)當(dāng)天發(fā)言時(shí)特意強(qiáng)調(diào)，“希望她們的獲獎(jiǎng)可以給全球的年輕女孩傳遞一個(gè)強(qiáng)有力的信號(hào)”。
其實(shí)早在2014年起，Charpentier和Doudna就已經(jīng)被認(rèn)為是最有可能、最熱門的諾貝爾獎(jiǎng)人選。她們的獲獎(jiǎng)僅僅是一個(gè)時(shí)間問題。雖然Charpentier曾謙虛地表示諾貝爾獎(jiǎng)只是一個(gè)細(xì)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(jiǎng)。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在過去6年間，Charpentier共獲得37項(xiàng)重要的科學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)與榮譽(yù)，包括了2015突破獎(jiǎng)，2016唐獎(jiǎng)，2017日本國(guó)際獎(jiǎng)，2018科維理獎(jiǎng)，2020沃爾夫醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)等等。其中大部分獎(jiǎng)項(xiàng)與Doudna共同獲得，僅有極個(gè)別獎(jiǎng)項(xiàng)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(jiǎng)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(jiǎng)的青睞完全不是偶然。作為一個(gè)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(yù)為是一種可以編輯和改寫生命密碼的強(qiáng)大的文字處理器。
自從2006年成功完成人類基因組計(jì)劃之后，CRISPR-Cas9有可能是這個(gè)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(yuǎn)的將來，人們可以利用CRISPR-Cas9技術(shù)，在更短時(shí)間內(nèi)、更精確地修正動(dòng)物、植物、微生物和病毒的基因突變，淘汰耗時(shí)費(fèi)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(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)才會(huì)被社會(huì)廣泛接受與承認(rèn)。但是CRISPR-Cas9作為基因編輯工具在2012年被報(bào)道后，僅僅8年時(shí)間就被授予了諾貝爾獎(jiǎng)。這可能是歷史上頒獎(jiǎng)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(shí)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?cè)谧穼ず闷嫘摹?jiān)持從事基礎(chǔ)研究的過程中的一個(gè)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(jiān)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(shí)人們對(duì)基因序列的了解非常少，Mojica等人也對(duì)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(jìn)展。
這種情況大概持續(xù)了15年的時(shí)間。直到2005年之后，CRISPR的研究進(jìn)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(huì)被一種細(xì)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)篩選出的細(xì)菌中，CRISPR的序列發(fā)生了明顯的變化，首次證實(shí) 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。科學(xué)家們第一次認(rèn)識(shí)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(shí)別外來入侵者而且具有記憶力！
自此之后，對(duì)微生物獲得性免疫系統(tǒng)的研究進(jìn)入了如火如荼的黃金十年。人們都爭(zhēng)先恐后地想弄清楚這套免疫系統(tǒng)的工作機(jī)制，例如CRISPR-Cas是如何識(shí)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(gè)過程中，許多科學(xué)家對(duì)解析CRISPR-Cas都做出了卓越的貢獻(xiàn)。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(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)CRISPR其實(shí)是一段非編碼RNA，經(jīng)過剪切加工后，與多個(gè)Cas蛋白質(zhì)組裝成了一個(gè)大型的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，形成一套功能獨(dú)立的免疫系統(tǒng)，保護(hù)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(shí)并未引起大多數(shù)人的注意。因?yàn)檫@套系統(tǒng)包含了5個(gè)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(gè)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(guó)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(gè)問題。他通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，首次證明了CRISPR-Cas的作用對(duì)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(jiān)實(shí)的理論支持，并大膽地預(yù)測(cè)CRISPR-Cas未來有可能用于編輯基因。
大約在同一時(shí)間，法國(guó)微生物學(xué)家Emmanuelle Charpentier開始與我的導(dǎo)師J?rg Vogel合作，在德國(guó)馬普感染生物學(xué)研究所開始對(duì)化膿性鏈球菌的RNA轉(zhuǎn)錄圖譜進(jìn)行分析，意外地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(gè)課題中，負(fù)責(zé)完成離體的RNA實(shí)驗(yàn)工作。我們發(fā)現(xiàn)tracrRNA與CRISPR RNA通過堿基配對(duì)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(duì)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(jiǎn)單的多，只需要1個(gè)蛋白質(zhì)的參與！這個(gè)蛋白質(zhì)就是后來大名鼎鼎的Cas9，而這套最精簡(jiǎn)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(guó)RNA生物化學(xué)家Jeniffer Doudna的成功合作。從2011年3月二人相識(shí)到2012年6月論文被《科學(xué)》雜志接受，短短的一年時(shí)間內(nèi)，她們的團(tuán)隊(duì)不僅成功弄清了CRISPR-Cas9核酸酶的工作機(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA的定點(diǎn)切割與編輯，首先對(duì)CRISPR-Cas9技術(shù)申請(qǐng)了專利，攜手拉開了基因組編輯時(shí)代的大幕。
2012年起，CRISPR-Cas9的研究進(jìn)入了爆發(fā)式增長(zhǎng)，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(xì)胞中，證實(shí)CRISPR-Cas9可以實(shí)現(xiàn)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的基因組編輯，而且在多種不同的細(xì)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(jìn)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(dá)上億美金。CIRPSR-Cas9獲獎(jiǎng)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(jià)值和迅速的市場(chǎng)轉(zhuǎn)化，令科學(xué)發(fā)現(xiàn)與資本市場(chǎng)、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(jiǎng)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(dòng)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(shí)代。利用CRISPR-Cas9技術(shù)，幾周時(shí)間就可以在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)刪除或改造一個(gè)基因，幾個(gè)月時(shí)間就能獲得一個(gè)基因改造過的動(dòng)物品系，極大地加快了科研工作的進(jìn)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(fèi)數(shù)十倍的投入和時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)技術(shù)，任何一個(gè)受過簡(jiǎn)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)模化的階段，一次實(shí)驗(yàn)可以篩選幾萬個(gè)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(guó)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(xì)胞中找到了一個(gè)識(shí)別病原菌危險(xiǎn)信號(hào)的新受體蛋白，充分展現(xiàn)出CRISPR-Cas9作為一個(gè)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(jiǎng)，讓我們每個(gè)人都切身地感受到，一個(gè)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(gè)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(guó)學(xué)者并沒有落后，對(duì)CRISPR-Cas9技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出了大量的貢獻(xiàn)。中國(guó)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(shí)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(jiǎng)，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(jìn)程，加上科學(xué)家們對(duì)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(gè)發(fā)現(xiàn)奇跡的人，可能就是那個(gè)駐足觀察琢磨的你和我。
作者簡(jiǎn)介
制版編輯 | Morgan
