基因編輯技術(shù)：一場正在進行的革命
——伊曼紐爾·查朋特訪談錄

張薇薇/編譯

基因編輯技術(shù)：一場正在進行的革命
——伊曼紐爾·查朋特訪談錄

張薇薇/編譯

2012年，伊曼紐爾·查朋特（Emmanuelle Charpentier）在研究中與他人共同發(fā)現(xiàn)了CRISPRCas9系統(tǒng)：一個正在改變著基因組學(xué)、遺傳學(xué)和基因工程領(lǐng)域的工具。CRISPR-Cas系統(tǒng)是由RNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，可以識別入侵病毒DNA并可將其分解（CRISPR表示成簇規(guī)則性排列的短回文間隔重復(fù)序列，用于描述基因的排列方式）。對于許多細菌和古細菌而言，該系統(tǒng)就相當(dāng)于一個有效的免疫系統(tǒng)，可以廣泛運用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域中。在一次與《美國科學(xué)家》雜志副主編凱蒂·伯克（Katie L.Burke）的訪談中，查朋特談及了她目前的研究方向以及CRISPR-Cas9系統(tǒng)未來的應(yīng)用前景。

CRISPR：一種多用途工具

問：當(dāng)開始研究CRISPR時，它還屬于一個鮮為人知的領(lǐng)域。是什么吸引你進行這方面的研究，包括什么時候意識到它的重要性的？

答：當(dāng)我在實驗室開始研究CRISPR時，其實我們的興趣在釀膿鏈球菌是如何引發(fā)疾病的。我們試圖破譯細菌是如何致命的，以及如何在人體內(nèi)存活下來的調(diào)節(jié)機制。我們觀察了釀膿鏈球菌的基因組序列中是否有產(chǎn)生調(diào)節(jié)性核糖核酸(RNA)的片段。眾所周知，RNA能把基因轉(zhuǎn)換成蛋白分子，但也能調(diào)節(jié)基因的表達。我們發(fā)現(xiàn)了大量的RNA，包括CRISPR系統(tǒng)中的RNA，以及一個位于CRISPR位點旁的示蹤RNA。

在2006至2007年間，我們發(fā)現(xiàn)CRISPR是由DNA構(gòu)成的一種保護細菌不受病毒侵害的防御系統(tǒng)。由于細菌的進化和發(fā)展，可以入侵基因組的不同防御系統(tǒng)。CRISPR就是這樣的一個系統(tǒng)，有點類似人類的獲得性免疫系統(tǒng)。其過程是：先識別入侵的基因組，當(dāng)發(fā)生第二次感染時，就摧毀這個外源DNA。

當(dāng)入侵的基因組進入到細菌過程中，含有噬菌體簽名的RNA分子能識別出。其中一個與CRISPR相關(guān)的蛋白，即Cas蛋白會對噬菌體基因組進行切割，而這是噬菌體基因組表達和繁殖的死穴。

CRISPR系統(tǒng)有不同的類型，其中CRISPRCas9是最簡單的一種。它是由兩個RNAs[CRISPR]和一個蛋白[Cas9]構(gòu)成，共同裂解入侵的DNA，其過程我們分別在2011、2012年的《自然》和《科學(xué)》雜志上闡述過。

問：CRISPR-Cas9系統(tǒng)為什么對基因組工程和基因組編輯如此重要？

答：理論上，科學(xué)家可以對任何有機體的遺傳密碼進行測序或破譯，但在尋找準確的操作基因組工具的能力仍非常有限。雖然在過去的四十年里研究出一些重組方法，但這些方法不是很精確。所謂的基因組工程，特別是基因組編輯，只是在十多年前才出現(xiàn)的，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)了一些meganucleases類型的核酸酶。

這些核酸酶對于科學(xué)家很有吸引力，它們可以精確地誘導(dǎo)和修飾真核細胞基因組的突變，或改變和交換基因乃至敲除序列。然而，每次操作一個特定的序列時必須設(shè)計一個新的蛋白。這一過程成本高，需要時間，也并不總是奏效，效率低。

而CRISPR-Cas9就不一樣了。它能識別包裹在DNA中的微小RNA分子，科學(xué)家只需根據(jù)靶DNA序列來操作RNA。這一特點使得CRISPR既廉價，又高效，已被證明可以在任何細胞和有機體中發(fā)揮作用。相比于只能導(dǎo)入突變或互換基因的meganucleases，CRISPR-Cas9更像是一種多用途工具，不僅能修飾DNA，也可以用作改變DNA表達的工具。

對生殖細胞編輯應(yīng)有國際禁令

問：目前你具體在做什么？

答：我有三個與CRISPR有關(guān)的研究方向。除了繼續(xù)探索CRISPR-Cas9的生物化學(xué)特性外，我們也在研究釀膿鏈球菌以外的其他細菌的CRISPRCas9系統(tǒng)，包括CRISPR-Cas與DNA靶向機制無關(guān)的方面。另外，在一些合作研究中，我們正在研發(fā)把CRISPR-Cas9導(dǎo)入到人體某些特定細胞中的技術(shù)，希望能治療人類的遺傳病。我已經(jīng)創(chuàng)辦了一個“CRISPR Therapeutics”的生物技術(shù)公司。

問：除了CRISPR，你是否在研究其他的系統(tǒng)？

答：是的。我們正在研究RNA介導(dǎo)的調(diào)節(jié)機制，例如蛋白質(zhì)降解過程中的調(diào)節(jié)機制，包括細胞之間是如何通信的，以及人類宿主是如何自行防御細菌的。盡管我對研究CRISPR-Cas很感興趣，但并不僅限于此。我想把部分時間花在基礎(chǔ)研究上，去破解那些對醫(yī)學(xué)有潛在作用的新機制。

問：你認為CRISPR最令人期待的前景是什么？

答：CRISPR對生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)意義重大。一些公司已經(jīng)開始利用它來構(gòu)建受損人類細胞（基因缺失細胞）文庫，試圖篩選出新的靶點用于新的療法，包括構(gòu)建動物模型對新療法進行檢驗。因為模型可以更準確地模擬人體內(nèi)發(fā)生的一切。

有了CRISPR-Cas9，我認為人類遺傳病有可能會得到治愈。但在此之前，需要研制出能把這個系統(tǒng)傳送到細胞中的工具。對于只能利用細胞替換才能治愈的一些遺傳病來說，這一技術(shù)有可能會奏效。

問：對于CRISPR如何使用，你最大的擔(dān)心是什么？

答：我最擔(dān)心的是對這個工具的誤用。舉例來說，對人體生殖細胞系的操作，或者那些非環(huán)境友好型的操作。我并不是反對針對植物的操作，但這要取決于改變的是什么。這項技術(shù)真正用于人類還需要多年時間，歐洲的一些倫理委員會在禁止對人類生殖細胞系基因操作的宣傳已經(jīng)奮戰(zhàn)了十多年。盡管在美國可能還不是那么嚴格，但肯定會引發(fā)一些爭論。

問：中國研究人員最近發(fā)表了一篇論文，顯示CRISPR-Cas9可用來編輯人類的生殖細胞系。這項工作吸引了媒體廣泛的關(guān)注，被一些人看成是醫(yī)學(xué)史上的里程碑。對此你有何看法？

答：這篇特殊的文章投給雜志社后,一天之內(nèi)就被接受了，這意味著文章沒有經(jīng)過嚴格評審。我覺得這太不可思議了。

這篇文章發(fā)出了一個信號。現(xiàn)在有些人試圖編輯人類胚胎，這或許是討論它的意義的最佳時期。因為政策的制定總是要花費很長的時間。科學(xué)家與研發(fā)者、制藥業(yè)、臨床醫(yī)生、倫理學(xué)家以及公眾一道，需要就這個工具如何運用達成一種共識。公眾不應(yīng)該害怕，因為這個工具也有好的方面，重要的是讓每個人明白它是什么，它能做什么以及它的工作原理。我們需要在包括亞洲國家在內(nèi)的國際范圍內(nèi)，針對某些應(yīng)用的禁止問題，達成一致意見。

問：基因組工程研究進展迅速，公眾從中需要了解些是什么？

答：我認為人們首先需要了解的是，這項技術(shù)是源于科學(xué)家正在進行的純粹的基礎(chǔ)科學(xué)研究。政治家和基金部門需要支持基礎(chǔ)科學(xué)，因為所有的發(fā)現(xiàn)，不管它是關(guān)乎生物、化學(xué)、物理還是其他領(lǐng)域，都源于這類基礎(chǔ)性的研究。

第二，雖然這個工具有可能被誤用，但它會在不同層面上對生物學(xué)家們提供幫助。目前，仍然有大量的基因其功能尚不明了，我們甚至還不完全了解分子之間是以怎樣一種協(xié)同方式工作的。第三，這個工具將給遺傳學(xué)研究帶來便利，因為公眾真正害怕的是轉(zhuǎn)基因這個詞。包括在診療中，CRISPRCas9有可能比現(xiàn)行許多的藥物療效更好，副作用更少。

在細菌中發(fā)現(xiàn)的CRISPR-Cas9，是RNA和蛋白的復(fù)合體，它能準確識別并刪除DNA序列。由于其在各種有機體中的有效性、靶向性和多用途，正在推進基因組工程和相關(guān)領(lǐng)域測序方法的革命

問：您認為對生殖細胞編輯國際上應(yīng)該有一個禁令，就像詹尼弗·杜德納在《科學(xué)》上呼吁的那樣？

答：是的，肯定要禁止。特別是避免最近我們在相關(guān)報刊上看到的那些文章。

給予科學(xué)家充分的自由和時間

問：你的CRISPR-Cas9專利引發(fā)了爭議。有沒有更好的解決途徑？

答：是的。這一技術(shù)可以廣泛運用于包括人體在內(nèi)的許多不同領(lǐng)域。因此，為保護這一具有巨大潛在價值的知識產(chǎn)權(quán)，我認為解決這些爭端需要花點時間。

對于目前出現(xiàn)的這種情況，我認為這并非是件壞事。因為它原本可能對這一技術(shù)的研發(fā)產(chǎn)生不利影響。但情況卻并非如此，關(guān)鍵是大家都在用它，人人都想開發(fā)它，事實上人們在研發(fā)的過程中，沒有受到過阻止。

問：創(chuàng)建CRISPR Therapeutics公司后，是否意味著你的這一成果可以商業(yè)化了？

答：在CRISPR-Cas9之前，我已經(jīng)在研究細菌引發(fā)疾病的若干分子機制。我與幾家生物技術(shù)公司都有聯(lián)系，同時也在關(guān)注著這些公司的整個研發(fā)過程，它們當(dāng)時都在研發(fā)抗菌和抗感染藥物。但有一點我很明白：那就是假如我創(chuàng)辦一家公司，我需要有一個可以被轉(zhuǎn)化的令人振奮的研究成果。很快，有了CRISPR-Cas9后,我就意識到這個系統(tǒng)確實有多重用途——可用于生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。甚至在證明這個系統(tǒng)是如何裂解DNA之前，我就有這個想法了。

我跟我的合作者詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）共同申請了專利，我當(dāng)時在瑞典——瑞典或許是世界上唯一一個集發(fā)明與知識產(chǎn)權(quán)擁有者于一身的國家——認識了一些有興趣跟我合作的人，很快吸引了一些投資者。

相比一些科學(xué)創(chuàng)始人，我很幸運擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，做自己想做的事情。我為這個項目投入了很多精力，也想自己親歷這個項目的整個過程。就像自己的嬰兒，你想看到它邁出的最初幾步，以及它能走多遠。

問：CRISPR給你帶來了聲譽和豐厚的獎金。你從中體驗到了什么？

答：我的研究方法總會受到一些批評，因為我與常人的行事方法不同。對CRISPR-Cas9而言，最終證明是成功的。在研究過程中，利用自己過去獲得的不同專業(yè)知識和思維方式，包括多學(xué)科的經(jīng)歷，尤其是接觸到生物學(xué)的方方面面，現(xiàn)在看來還是件蠻不錯的事。

有時我還在懷疑，對我想做的研究，即我提出的研究方案（破解CRISPR-Cas9系統(tǒng)）是否會有人資助。然而，我的研究就是一個很好的例子——給科學(xué)家提供資金支持，讓他們做一些重要的甚至是異想天開的研究。無疑，一個人需要有自己的興趣、方向或某種大膽假設(shè)。如果你想把一些東西組合在一起進行實驗，甚至在外人看來這是一個瘋狂的實驗，但你就想這樣做，看看究竟會發(fā)生些什么？我的研究就是一個很好的例證。因此，給予科學(xué)家充分的自由和時間進行類似的研究非常重要。科學(xué)家們需要支持和理解。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則鳴]