• 浙大教授解讀諾貝爾化學獎:“基因剪刀”譜寫生命密碼

    發布時間:2020-10-09來源:浙江新聞客戶端

    2020年諾貝爾化學獎花落埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德納(Jennifer A. Doudna),以表彰她們“在基因編輯技術方面的貢獻”。

    諾獎官網評價稱,卡彭蒂耶和杜德納在2012年發現的CRISPR / Cas9“基因剪刀”,將生命科學帶入了一個新時代,并在許多方面將為人類帶來最大的福利?!斑@種遺傳工具擁有強大的功能,可以影響所有人。它不僅使基礎科學研究發生革命性變化,也帶來了創新的轉化成果,并有望實現開創性的新型醫療方法?!敝Z貝爾化學委員會主席席克拉斯·古斯塔夫松(Claes Gustafsson)說。

    CRISPR / Cas9為什么會被稱為“基因剪刀”?“基因剪刀”是怎么工作的?我們是否可以像做手工一樣完美剪出符合人類進步要求的產物?帶著這些疑問,記者采訪了浙江大學生命科學院院長彭金榮和醫學院研究員張進。

    CRISPR/Cas9是一種由RNA指導的,利用Cas9核酸酶對靶向基因進行編輯的技術。CRISPR是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(成簇規律間隔短回文重復序列)這一短語的首字母縮寫,本質是基因組DNA上的一段特殊序列。它廣泛存在于原核生物基因組中,是細菌和古細菌為應對病毒不斷攻擊而演化來的獲得性免疫防御機制。而Cas9(CRISPRassociated nuclease)則是CRISPR相關核酸酶。

    正如醫生可以用手術剪幫病人縫合創口,CRISPR/Cas9就是科學家手中的手術剪,可以極為精確地幫助科學家改變動物、植物和微生物的基因。天然的CRISPR作為醫院的數據庫,儲存了各種病毒的DNA片段,平時通過一些重復出現的DNA片段分區劃片,按類將它們整理在一起。當病毒來襲時,保安Cas會將敵人押送到數據庫剪一段DNA作為資料,這段資料隨之轉錄為RNA,和保安Cas結合在一起,在細胞的各個角落巡邏。當病毒再次入侵時,保安就可以做到迅速匹配、輕松識別敵人,然后果斷出擊,消滅來敵。

    DNA被剪斷后會重新連接,但在這過程中很容易丟三落四。失去零件的基因就會失去原來的功能,而如果提供一個新模板,基因就會根據這個模板進行修復,根據這個原理,科學家們可以通過剪斷或是拼接DNA片段來達成刪除或添加基因的目的。

    卡彭蒂耶和杜德納選用了CRISPR/Cas9這把特殊的剪刀。在2012年發表的論文中,卡彭蒂耶和杜德納通過純化Cas9的方法,發現它是雙RNA引導的DNA內切酶,在解釋了細菌如何利用CRISPR防御病毒的同時,首次證明了CRISPR/Cas9可以進行基因編輯?!皬牡谝淮伟l現CRISPR序列到它正式成為一種基因編輯工具,我們等待了20多年。這項技術可以在任何預定位置剪掉一段DNA序列,并且可以用另外一段序列替換,因此打開了基因編輯技術在生命科學領域應用的全新局面?!睆堖M說。

    當然,科普基因編輯技術,就不能不談到華人科學家張鋒。在卡彭蒂耶、杜德納發表論文后的第二年,張鋒團隊就發布了第一種工程改造CRISPR/Cas9的方法來編輯小鼠和人類細胞中的基因組,最早證明CRISPR/Cas9技術可以編輯哺乳動物細胞的基因組。2016年,他與夏彭蒂耶、杜德納共享有“小諾貝爾獎”之稱的加拿大蓋爾德納國際獎(Gairdner International Award)。借用1993年諾獎得主菲利普·夏普(Phillip Sharp)的話說,基于CRISPR的基因編輯技術有四個關鍵的發現者:夏彭蒂耶、徹奇、杜德納和張鋒。在今年諾獎頒布前,有專家預測,如果基因編輯獲獎,張鋒很有可能站在領獎臺上。張進認為,張鋒的研究為基因編輯在醫學領域的廣泛應用鋪平了道路,此次無緣諾獎確實是一件比較遺憾的事情。


    與過往的技術相比,CRISPR/Cas9具有成本低、制作便捷高效的特點,自問世以來,已經吸引了無數歡呼和掌聲。在短短幾年之內,它已經成為了生命科學領域最炙手可熱的研究工具。據英國《每日郵報》統計,截至2018年全球范圍內已有大約2700項使用CRISPR工具的臨床試驗正在進行或者得到批準,在諸如癌癥、器官移植、遺傳病治療上取得了一些突破。比如使用基因編輯的免疫細胞來治療嬰兒淋巴細胞白血病,敲除豬基因組中的內源逆轉錄病毒(PERV)序列實現豬器官人體移植等等。同時在新型冠狀病毒肺炎的高敏感度病毒檢測上,基因編輯衍生的技術也是一支主力軍。

    彭金榮認為,對于CRISPR的研究,我國處于領頭羊地位?!氨热缭∑接N了敲除與鎘吸收和積累相關基因的水稻,從根本上解決了水稻鎘污染的問題。高彩霞在無性繁殖作物草莓中實現了對數量性狀的精細調控并獲得了多種不同糖分含量的草莓?!笨苹秒娪爸薪柚盎蚰ЯΑ迸嘤觥笆馈钡淖魑飳⒊蔀橐环N可能。

    近年來,基因編輯技術飛速發展,推廣應用到了生物、醫學、農業以及環境等多個學科領域,也觸發了科學界關于倫理的討論。張進認為,基因編輯只能應用于體細胞,在人類生殖細胞或者胚胎上應用有悖于科學倫理?!熬庉嫼蟮幕虿粫?,反而會繼續遺傳給下一代,從而隨著時間推移在族群中不斷擴散。至少在幾代人的實驗中,我們無法證明這是一個有害的基因?!迸斫饦s說。

    在煙波浩渺的生命科學海洋,人們只抓住了滄海一粟?;蚣夹g的進步提出了一個重大的倫理問題,然而全社會仍在尋找答案。


    浙江新聞客戶端2020年10月8日


    彩35