2020年諾貝爾化學獎解讀“基因剪刀”改寫生命密碼

□文/楊先碧

基因被稱為生命密碼，因為生物的外在特征大多是由基因決定的。曾經，人們認為改變生命密碼的方法只有繁殖和進化兩種。隨著越來越多生物基因圖譜的完成，科學家似乎成了新時代的物種工匠，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俗稱“基因剪刀”的基因編輯技術。法國生物學家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷和美國生物學家珍妮弗·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年諾貝爾化學獎。

沙爾龐捷（左）和道德納（右）

修改生命天書

科學家常把基因組比作一本生命天書，而且是可以修改的生命天書。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行剪切、刪除、移動、粘貼等，其中最重要的步驟是剪切。因此，基因編輯技術又常常被稱為“基因剪刀”。

基因編輯是轉基因之后人類找到的又一種基因工程技術，它在本質上與轉基因并無不同，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、育種技術等領域，兩者可以取長補短。而在醫(yī)學領域，基因編輯則更勝一籌。因對某個物種進行基因編輯時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90年代以來，科學家開發(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”，如今已廣泛應用于基因研究領域。之所以說她們“發(fā)現(xiàn)”而非“發(fā)明”了一種“基因剪刀”，是因為這種“基因剪刀”是個超級“老古董”，早已存在于自然界中，已經被細菌熟練地運用了數(shù)億年。

CRISPR的意思是“成簇的規(guī)律間隔短回文重復序列”，念起來十分拗口，意思也令人迷惑。沒關系！我們只要知道它是細菌防御病毒侵入的免疫系統(tǒng)即可。當細菌遭遇病毒入侵后，CRISPR可以產生Cas質粒，并以之作為剪刀，將外來病毒DNA中的某些基因片段剪掉，病毒因此被殺滅。

Cas質粒是細菌細胞內一種自我復制的環(huán)狀雙鏈DNA分子，能穩(wěn)定地獨立存在于染色體外。現(xiàn)在常用的Cas質粒大多數(shù)是經過改造或人工構建的，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，由日本分子生物學家石野良純在大腸桿菌中偶然發(fā)現(xiàn)。但是，由于當時基因科學的發(fā)展水平，他沒有意識到CRISPR系統(tǒng)可以作為生物學家的基因工具。

進入21世紀以來，改變生物基因的基因工程學成為最熱門的生物學研究領域。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。在研究這種細菌時，她發(fā)現(xiàn)了一種新的RNA分子。在跟蹤這種分子的過程中，沙爾龐捷發(fā)現(xiàn)它是某些細菌的免疫系統(tǒng)的一部分。

Cas質粒剪切基因

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，可用一種切割酶去消滅病毒。細菌中這個殺滅病毒的系統(tǒng)被她稱為CRISPR/Cas，她在2011年發(fā)表了這項研究成果。同年，她與道德納開始合作研究如何把來自細菌的“基因剪刀”用到其他研究中。她們在實驗室中順利地重建了源自細菌的CRISPR/Cas，將天然的免疫手段轉化為可為人類利用的“基因剪刀”。

她們在進一步的研究中簡化了“基因剪刀”的分子組成，讓生物學家用起來更加趁手。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”，生物學家可以更加便捷地改寫生命密碼。

最好使的第九號“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）是科學家研究最深入、應用最成熟的一種類別。這種“剪刀”切割最為精準，切割速度最快，因此操作起來比較方便，被科學家當成最鋒利的基因“手術刀”，用于治療人類遺傳病，或是改變其他生物的基因。目前，該技術成果已應用于人類細胞、斑馬魚、小鼠以及細菌的基因組精確修飾。

CRISPR/Cas9被科學家稱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，因此風靡整個生物學界。科學界普遍認為，這是21世紀以來生物技術方面最重要的突破。

諾貝爾化學獎評選委員會如此評價沙爾龐捷和道德納的獲獎成果：“這個基因編輯工具擁有巨大能量，會影響我們每個人。它不僅在基礎科學領域引發(fā)變革，還產生很多創(chuàng)新性成果，并將為癌癥等難治之病帶來更加有效的療法。”

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”開啟了生命科學研究的新時代，正在越來越多地造福人類。