基因剪刀改寫生命密碼

楊先碧

基因被稱為生命密碼，因?yàn)樯锏耐庠谔卣鞔蠖嗍怯苫驔Q定的。以前，人們認(rèn)為改變生命密碼的方法只有繁殖和進(jìn)化兩種。隨著越來越多生物基因圖譜的完成，科學(xué)家似乎成了新時(shí)代的物種工匠，可以按照規(guī)則改變許多生物的基因，其中最重要的方法就是利用被稱為“基因剪刀”的基因編輯技術(shù)。法國生物學(xué)家?，敿~埃勒·沙爾龐捷和美國生物學(xué)家珍妮弗·道德納發(fā)現(xiàn)了一種特別好用的基因剪刀，她們因此獲得了2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

修改生命天書

科學(xué)家常把基因組比喻為一本生命天書，而且是可以修改的。修改基因組的過程也因此被稱為基因編輯，主要包括對某段基因進(jìn)行剪切、刪除、移動(dòng)、粘貼等，其中最重要的步驟是剪切，因此基因編輯技術(shù)又常常被稱為基因剪刀。

基因編輯是轉(zhuǎn)基因之后人類找到的又一種基因工程技術(shù)，它在本質(zhì)上與轉(zhuǎn)基因并無不同，都是在改寫生命密碼，從而在分子水平上改變生物的遺傳特性。在合成生物、育種技術(shù)等領(lǐng)域，兩者可以取長補(bǔ)短。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基因編輯則更勝一籌。因?qū)δ硞€(gè)物種進(jìn)行基因編輯時(shí)不涉及其他物種的基因，基因編輯更容易被人們接受。

古老的基因剪刀

從20世紀(jì)90年代以來，科學(xué)家開發(fā)出多種基因剪刀。沙爾龐捷和道德納在9年前發(fā)現(xiàn)的CRISPR-Cas也是一種基因剪刀，如今已廣泛應(yīng)用于基因研究領(lǐng)域。之所以說她們“發(fā)現(xiàn)”而非“發(fā)明”了一種基因剪刀，是因?yàn)檫@種基因剪刀是個(gè)超級“老古董”，早已存在于自然界中，已經(jīng)被細(xì)菌熟練地運(yùn)用了數(shù)億年。

CRISPR的意思是“成簇的規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列”。這句話念起來似乎十分拗口，意思也令人迷惑。但沒關(guān)系！我們只要知道它是細(xì)菌防御病毒侵入的免疫系統(tǒng)即可。當(dāng)細(xì)菌遭遇病毒入侵后，CRISPR可以產(chǎn)生Cas質(zhì)粒，并以之作為剪刀，將外來病毒的DNA中的某些基因片段剪掉，病毒因此被殺滅。

Cas質(zhì)粒是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)一種自我復(fù)制的環(huán)狀雙鏈DNA分子，能穩(wěn)定地獨(dú)立存在于染色體外?，F(xiàn)在常用的Cas質(zhì)粒大多數(shù)是經(jīng)過改造或人工構(gòu)建的，是修改基因的重要工具。

發(fā)現(xiàn)基因剪刀

人們第一次發(fā)現(xiàn)CRISPR是在1987年，由日本分子生物學(xué)家石野良純在大腸桿菌中偶然發(fā)現(xiàn)。但是，局限于當(dāng)時(shí)基因科學(xué)的發(fā)展水平，他沒有意識(shí)到CRISPR系統(tǒng)可以作為生物學(xué)家的基因工具。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，改變生物基因的基因工程學(xué)成了最熱門的生物學(xué)研究領(lǐng)域。起初，沙爾龐捷的研究課題并非基因剪刀，而是化膿性鏈球菌的生物特性。在研究這種細(xì)菌時(shí)，她發(fā)現(xiàn)了一種新的RNA分子（即tracrRNA）。在跟蹤這種分子的過程中，沙爾龐捷發(fā)現(xiàn)它是某些細(xì)菌的免疫系統(tǒng)的一部分。

接下來的研究中，沙爾龐捷發(fā)現(xiàn)這種免疫系統(tǒng)居然如同病毒切割機(jī)，可用一種切割酶去消滅病毒。細(xì)菌中這個(gè)殺滅病毒的系統(tǒng)被她稱為CRISPR-Cas。沙爾龐捷2011年發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。同年，她與道德納開始合作研究如何把來自細(xì)菌的基因剪刀用到其他研究中。她們在實(shí)驗(yàn)室中順利地重建了源自細(xì)菌的CRISPR-Cas，將天然的免疫手段轉(zhuǎn)化為可被人類利用的基因剪刀。

她們在進(jìn)一步的研究中簡化了基因剪刀的分子組成，讓生物學(xué)家用起來更加趁手。如果善加利用，這把基因剪刀不但可以切割任何生物的基因，而且使用起來簡直是得心應(yīng)手。利用這把基因剪刀，生物學(xué)家可以更加便捷地改寫生命密碼。

最好使的基因剪刀

在自然界中，CRISPR-Cas擁有多種類別，其中第九號基因剪刀（CRISPR-Cas9）是科學(xué)家研究最深入、應(yīng)用最成熟的一種類別。這種“剪刀”切割最為精準(zhǔn)，切割速度最快，因此操作起來比較方便，被科學(xué)家當(dāng)成最鋒利的基因“手術(shù)刀”，用于治療人類遺傳病，或是改變其他生物的基因。目前，該技術(shù)成果已應(yīng)用于人類細(xì)胞、斑馬魚、小鼠以及細(xì)菌的基因組精確修飾。

比如，在用豬培育人類器官的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種器官具有很大的風(fēng)險(xiǎn)性，因?yàn)樨i基因組含有大量內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因，可能引發(fā)未知的人類疾病。中國科學(xué)家楊璐菡利用基因剪刀CRISPR-Cas9，成功將豬腎上皮細(xì)胞基因組中的全部62個(gè)內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒基因剪切失活。將基因編輯后的豬細(xì)胞和人類細(xì)胞在一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)豬病毒對人類細(xì)胞的侵染率只是未經(jīng)基因編輯豬細(xì)胞的千分之一。

影響我們每個(gè)人

CRISPR-Cas9被科學(xué)家稱為第三代基因編輯工具。相比前兩代基因編輯工具（鋅指核酸酶和轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶），CRISPR-Cas9具有成本低、易上手、效率高等優(yōu)勢，因此風(fēng)靡整個(gè)生物學(xué)界?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，這是21世紀(jì)以來生物技術(shù)方面最重要的突破。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評選委員會(huì)如此評價(jià)沙爾龐捷和道德納的獲獎(jiǎng)成果：“這個(gè)基因編輯工具擁有巨大能量，會(huì)影響我們每個(gè)人。它不僅在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)變革，還產(chǎn)生很多創(chuàng)新性成果，并為癌癥等難治之病帶來更加有效的療法?！?/p>

人類目前能夠用CRISPR-Cas9治療的疾病主要為血液病和一些惡性腫瘤，其他正在探索CRISPR-Cas9療法的疾病包括先天性失明、艾滋病、精神分裂癥等。

總之，基因剪刀開啟了生命科學(xué)研究的新時(shí)代，正在許多方面越來越多地造福人類。

2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者簡介

?，敿~埃勒·沙爾龐捷：法國生物學(xué)家，1968年生于法國埃森省，1992年獲得巴黎第六大學(xué)碩士學(xué)位，1995年獲得巴斯德研究所博士學(xué)位，1997年任紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)中心助理研究員，現(xiàn)任德國馬克斯·普朗克病原學(xué)研究室主任。

珍妮弗·道德納：美國生物學(xué)家，1964年生于美國華盛頓，1985年于波莫納學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，1989年于哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位，1994年擔(dān)任耶魯大學(xué)教授，1997年任霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員，2003年至今擔(dān)任加州大學(xué)伯克利分校教授。