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浙大教授解读诺贝尔化学奖:“基因剪刀”谱写生命密码

发布时间:2020-10-09来源:浙江新闻客户端作者: 何冬健 柯溢能0

2020年诺贝尔化学奖花落埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳(Jennifer A. Doudna),以表彰她们“在基因编辑技术方面的贡献”。

诺奖官网评价称,卡彭蒂耶和杜德纳在2012年发现的CRISPR / Cas9“基因剪刀”,将生命科学带入了一个新时代,并在许多方面将为人类带来最大的福利。“这种遗传工具拥有强大的功能,可以影响所有人。它不仅使基础科学研究发生革命性变化,也带来了创新的转化成果,并有望实现开创性的新型医疗方法。”诺贝尔化学委员会主席席克拉斯·古斯塔夫松(Claes Gustafsson)说。

CRISPR / Cas9为什么会被称为“基因剪刀”?“基因剪刀”是怎么工作的?我们是否可以像做手工一样完美剪出符合人类进步要求的产物?带着这些疑问,记者采访了浙江大学生命科学院院长彭金荣和医学院研究员张进。

CRISPR/Cas9是一种由RNA指导的,利用Cas9核酸酶对靶向基因进行编辑的技术。CRISPR是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(成簇规律间隔短回文重复序列)这一短语的首字母缩写,本质是基因组DNA上的一段特殊序列。它广泛存在于原核生物基因组中,是细菌和古细菌为应对病毒不断攻击而演化来的获得性免疫防御机制。而Cas9(CRISPRassociated nuclease)则是CRISPR相关核酸酶。

正如医生可以用手术剪帮病人缝合创口,CRISPR/Cas9就是科学家手中的手术剪,可以极为精确地帮助科学家改变动物、植物和微生物的基因。天然的CRISPR作为医院的数据库,储存了各种病毒的DNA片段,平时通过一些重复出现的DNA片段分区划片,按类将它们整理在一起。当病毒来袭时,保安Cas会将敌人押送到数据库剪一段DNA作为资料,这段资料随之转录为RNA,和保安Cas结合在一起,在细胞的各个角落巡逻。当病毒再次入侵时,保安就可以做到迅速匹配、轻松识别敌人,然后果断出击,消灭来敌。

DNA被剪断后会重新连接,但在这过程中很容易丢三落四。失去零件的基因就会失去原来的功能,而如果提供一个新模板,基因就会根据这个模板进行修复,根据这个原理,科学家们可以通过剪断或是拼接DNA片段来达成删除或添加基因的目的。

卡彭蒂耶和杜德纳选用了CRISPR/Cas9这把特殊的剪刀。在2012年发表的论文中,卡彭蒂耶和杜德纳通过纯化Cas9的方法,发现它是双RNA引导的DNA内切酶,在解释了细菌如何利用CRISPR防御病毒的同时,首次证明了CRISPR/Cas9可以进行基因编辑。“从第一次发现CRISPR序列到它正式成为一种基因编辑工具,我们等待了20多年。这项技术可以在任何预定位置剪掉一段DNA序列,并且可以用另外一段序列替换,因此打开了基因编辑技术在生命科学领域应用的全新局面。”张进说。

当然,科普基因编辑技术,就不能不谈到华人科学家张锋。在卡彭蒂耶、杜德纳发表论文后的第二年,张锋团队就发布了第一种工程改造CRISPR/Cas9的方法来编辑小鼠和人类细胞中的基因组,最早证明CRISPR/Cas9技术可以编辑哺乳动物细胞的基因组。2016年,他与夏彭蒂耶、杜德纳共享有“小诺贝尔奖”之称的加拿大盖尔德纳国际奖(Gairdner International Award)。借用1993年诺奖得主菲利普·夏普(Phillip Sharp)的话说,基于CRISPR的基因编辑技术有四个关键的发现者:夏彭蒂耶、彻奇、杜德纳和张锋。在今年诺奖颁布前,有专家预测,如果基因编辑获奖,张锋很有可能站在领奖台上。张进认为,张锋的研究为基因编辑在医学领域的广泛应用铺平了道路,此次无缘诺奖确实是一件比较遗憾的事情。


与过往的技术相比,CRISPR/Cas9具有成本低、制作便捷高效的特点,自问世以来,已经吸引了无数欢呼和掌声。在短短几年之内,它已经成为了生命科学领域最炙手可热的研究工具。据英国《每日邮报》统计,截至2018年全球范围内已有大约2700项使用CRISPR工具的临床试验正在进行或者得到批准,在诸如癌症、器官移植、遗传病治疗上取得了一些突破。比如使用基因编辑的免疫细胞来治疗婴儿淋巴细胞白血病,敲除猪基因组中的内源逆转录病毒(PERV)序列实现猪器官人体移植等等。同时在新型冠状病毒肺炎的高敏感度病毒检测上,基因编辑衍生的技术也是一支主力军。

彭金荣认为,对于CRISPR的研究,我国处于领头羊地位。“比如袁隆平育种了敲除与镉吸收和积累相关基因的水稻,从根本上解决了水稻镉污染的问题。高彩霞在无性繁殖作物草莓中实现了对数量性状的精细调控并获得了多种不同糖分含量的草莓。”科幻电影中借助“基因魔力”培育出“十全十美”的作物将成为一种可能。

近年来,基因编辑技术飞速发展,推广应用到了生物、医学、农业以及环境等多个学科领域,也触发了科学界关于伦理的讨论。张进认为,基因编辑只能应用于体细胞,在人类生殖细胞或者胚胎上应用有悖于科学伦理。“编辑后的基因不会消失,反而会继续遗传给下一代,从而随着时间推移在族群中不断扩散。至少在几代人的实验中,我们无法证明这是一个有害的基因。”彭金荣说。

在烟波浩渺的生命科学海洋,人们只抓住了沧海一粟。基因技术的进步提出了一个重大的伦理问题,然而全社会仍在寻找答案。


浙江新闻客户端2020年10月8日