2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)解讀“基因剪刀”改寫(xiě)生命密碼

□文/楊先碧

基因被稱(chēng)為生命密碼，因?yàn)樯锏耐庠谔卣鞔蠖嗍怯苫驔Q定的。曾經(jīng)，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(lái)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?cè)S多生物的基因，其中最重要的方法就是俗稱(chēng)“基因剪刀”的基因編輯技術(shù)。法國(guó)生物學(xué)家?，敿~埃勒·沙爾龐捷和美國(guó)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)。

沙爾龐捷（左）和道德納（右）

修改生命天書(shū)

科學(xué)家常把基因組比作一本生命天書(shū)，而且是可以修改的生命天書(shū)。修改基因組的過(guò)程也因此被稱(chēng)為基因編輯，主要包括對(duì)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(chēng)為“基因剪刀”。

基因編輯是轉(zhuǎn)基因之后人類(lèi)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(wú)不同，都是在改寫(xiě)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(zhǎng)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”

20世紀(jì)90年代以來(lái)，科學(xué)家開(kāi)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(shuō)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(jí)“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”，念起來(lái)十分拗口，意思也令人迷惑。沒(méi)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(lái)病毒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(guò)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?cè)诖竽c桿菌中偶然發(fā)現(xiàn)。但是，由于當(dāng)時(shí)基因科學(xué)的發(fā)展水平，他沒(méi)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(lái)，改變生物基因的基因工程學(xué)成為最熱門(mén)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。在跟蹤這種分子的過(guò)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。

Cas質(zhì)粒剪切基因

接下來(lái)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(chēng)為CRISPR/Cas，她在2011年發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。同年，她與道德納開(kāi)始合作研究如何把來(lái)自細(xì)菌的“基因剪刀”用到其他研究中。她們?cè)趯?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)化為可為人類(lèi)利用的“基因剪刀”。

她們?cè)谶M(jìn)一步的研究中簡(jiǎn)化了“基因剪刀”的分子組成，讓生物學(xué)家用起來(lái)更加趁手。如果善加利用，這把“基因剪刀”可以切割任何生物的基因。利用這把“基因剪刀”，生物學(xué)家可以更加便捷地改寫(xiě)生命密碼。

最好使的第九號(hào)“基因剪刀”

在自然界中，CRISPR/Cas擁有多種類(lèi)別，其中第九號(hào)“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(lèi)別。這種“剪刀”切割最為精準(zhǔn)，切割速度最快，因此操作起來(lái)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(lèi)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(lèi)細(xì)胞、斑馬魚(yú)、小鼠以及細(xì)菌的基因組精確修飾。

CRISPR/Cas9被科學(xué)家稱(chēng)為第三代基因編輯工具。相比前兩代基因編輯工具，CRISPR/Cas9具有成本低、易上手、效率高等優(yōu)勢(shì)，因此風(fēng)靡整個(gè)生物學(xué)界。科學(xué)界普遍認(rèn)為，這是21世紀(jì)以來(lái)生物技術(shù)方面最重要的突破。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)如此評(píng)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，并將為癌癥等難治之病帶來(lái)更加有效的療法?！?/p>

人們目前能夠用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(kāi)啟了生命科學(xué)研究的新時(shí)代，正在越來(lái)越多地造福人類(lèi)。