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咖啡館的命運邂逅：兩位女性一起剪切生命密碼，又一起獲得諾獎

2020-10-09 17:33

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創見文末果殼

太長不看版

細菌里存在一些重復編排的DNA序列，名叫CRISPR；

還有一種與CRISPR相關的蛋白名叫Cas，可以切割病毒DNA；

卡彭蒂耶和杜德納利用CRISPR/Cas的特性，開發了一種可以精準切割DNA的工具；

這種工具應用范圍極廣，掀起了分子生物學革命，也同樣引發人們對倫理問題的思考。

埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德納（Jennifer A. Doudna）獲得了2020年的諾貝爾化學獎，獲獎理由是她們發現了最先進的基因技術工具之一：CRISPR/Cas9基因剪刀。研究者運用這種工具，可以極其精準地改變動物、植物和微生物的DNA。這項技術掀起了分子生物學的革命，為植物育種帶來了新的機遇，為新的癌癥治療手段注入能量，也讓治愈遺傳性疾病不再只是個夢想。

科學最有魅力的一點，在于它是不可預測的——你永遠不會知道，一個看似平常的點子或提問，將會為我們帶來什么。有時候好奇心會走進一個死胡同，有時候會走進一個惱人的迷宮，得花費好幾年才能走出來。但是，一次又一次地，她意識到自己是第一個凝視著無限可能性的人。

名為CRISPR/Cas9的基因編輯工具就是這樣一種蘊含驚人潛能的意外發現。當埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德納開始研究一種鏈球菌的免疫系統時，她們偶然覺得，自己或許可以開發一種新的抗生素。事情的走向不如她們所愿，她們在研究中發現了一種分子工具，可以精準切割遺傳物質，從而使人們有可能輕易改寫生命的密碼。

運用基因剪刀，研究者可以編輯幾乎所有生物的基因組丨諾貝爾獎官方網站

影響每個人的利器

僅僅在她們做出這個發現8年后，這些基因剪刀已經重塑了生命科學的模樣。生物化學家和細胞生物學家們現在可以輕松地研究不同基因的功能，以及這些基因在疾病進程中所可能扮演的角色。在植物育種方面，研究者們可以賦予植物新的特征，比如在溫暖氣候中的耐旱能力。在醫學領域，這種基因編輯工具正在為新的癌癥治療方法貢獻力量，也在嘗試治愈遺傳病的首批研究中發揮作用。

關于CRISPR/Cas9基因剪刀的用處，我們還可以舉出千千萬萬個例，當然，也包括不符合倫理的運用。利劍在手，我們更應該規范技術的使用。這一點會在下面再詳說。

2011年，不管是埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶，還是詹妮弗·杜德納，都沒想到她們在波多黎各一家咖啡館的首次見面，會成為命運的轉折點。我們首先來介紹一下埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶，是她首先提出了合作。

被病原細菌吸引的卡彭蒂耶

有些人將埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶描述為充滿動力、細心并縝密的人，還有人說她堅持不懈地探索未知。她自己則引用了路易斯·巴斯德的名言：“機會只留給有準備的人。”對探索新知、自由獨立的急切渴望，引導著她走在今天的道路上。她在巴黎的巴斯德研究所度過了博士生涯。算上這段經歷，她在5個國家、7座城市的10家不同機構工作過。

盡管經歷了許多不同的工作環境和研究方式，她的所有研究都有相同的核心：病原細菌。為什么它們具有強烈的攻擊性？它們如何發展對抗生素的耐藥性？以及，人類能否找到新的治療方法，阻止它們肆虐？

2002年，卡彭蒂耶在維也納大學創建了自己的研究團隊。她將研究聚焦于化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）。這種細菌是對人類造成最嚴重傷害的病原菌之一，每年感染超過數百萬人。這種感染一般只會造成可治療的扁桃體炎和膿皰瘡，但有時會引起致命的敗血癥并使軟組織分解，這讓它們獲得了“血肉吞噬者”的惡名。

為了更好地理解化膿性鏈球菌，卡彭蒂耶決定全面研究這種細菌的基因調控方式。這一決定讓她在發現基因剪刀的道路上邁出了第一步。但是在繼續講述這條道路之前，我們需要講講詹妮弗·杜德納的故事。因為，在卡彭蒂耶仔細地研究化膿性鏈球菌的同時，杜德納聽到了一個縮寫。那是她第一次聽說這個單詞，發音聽起來像是crisper。

科學——如偵探故事一樣曲折

在度假勝地夏威夷長大的詹妮弗·杜德納，有著強烈的求知欲。一天，她的父親將詹姆斯·沃森寫的《雙螺旋》放在了她床上。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克解明DNA分子結構的故事仿佛一部偵探小說，與杜德納在學校課本中讀到的科學知識迥異。她被科學研究的過程深深吸引了，并意識到科學不只是簡單地列舉事實。

不過，開始親自解決科學之謎時，她并未將注意力放在DNA上，而去關注了DNA的“分子同胞”——RNA。2006年，她在加州大學伯克利分校領導著一個研究團隊，已經專注于RNA研究二十年了。那時她已經被認為是一個成功的研究者，并且是許多開創性項目的帶頭人。同時她剛剛開始進入一個激動人心的新興領域——RNA干擾。

很長一段時間中，研究者們認為RNA的基礎功能已經得到了充分的認知，但是人們突然發現，許多小RNA分子在細胞中參與調控基因活性。2006年，詹妮弗·杜德納在RNA干擾領域的投入為她帶來了來自另一個部門同事的電話。

細菌攜帶著古老的免疫系統

這名同事是一位微生物學家，她告訴了杜德納一個新的發現：當研究人員將差異較大的細菌以及古生菌（一種微生物）的遺傳物質相互比較時，他們發現重復的DNA序列保存得非常完好。相同的編碼一遍又一遍地出現，但是在重復的編碼區之間，細菌卻有著各自不同的獨特序列。就好像在一本書中，每一個獨特的句子之間都重復著同一個單詞。

點擊可看大圖丨原圖：諾貝爾獎官方網站；翻譯：Ryan

這些重復編排的DNA序列被稱為“規律成簇間隔短回文重復”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats），縮寫為CRISPR。有趣的是，CRISPR中獨特的、非重復的序列，似乎與多種病毒的遺傳密碼相匹配。因此目前的想法是：這是一種古老的免疫系統中的一部分，可以保護細菌和古生菌免受病毒的侵害。假說認為，如果一種細菌成功地在病毒感染之后存活下來，那么它會在自身基因組中加入一段病毒的遺傳密碼，作為曾感染過病毒的記錄。

杜德納的同事介紹，目前還無從得知這一切是如何運作的，但是細菌對抗病毒的機制與杜德納研究的RNA干擾，這兩者的相似性卻值得考慮。

杜德納描繪了一個復雜的系統

這一消息引人注目又令人激動。如果細菌確實擁有古老的免疫系統，那么這將是一個重大的發現。這也激發了詹妮弗·杜德納強烈的研究興趣，于是她開始盡可能地學習有關CRISPR系統的一切知識。

研究發現，除了CRISPR序列外，還存在一種與CRISPR相關（CRISPR-associated）的特殊基因，簡稱為Cas。有趣的是，這些基因與編碼一些已知蛋白質的基因非常相似，而這些蛋白質專門負責解旋和切割DNA序列。那么Cas蛋白質是否有相同的功能？它們能切割病毒的DNA嗎？

于是杜德納與她的研究團隊開始工作，幾年后，他們成功揭示了幾種不同Cas蛋白質的功能。與此同時，其他大學的一些研究團隊也在研究新發現的CRISPR/Cas系統。他們的工作顯示，細菌的免疫系統有著差異較大的各種形式。杜德納研究的CRISPR/Cas系統屬于1型，這是一個復雜的系統，需要許多不同種類的Cas蛋白來分解病毒。而2型系統則非常簡單，因為它需要的蛋白質很少。事實上，在世界的另一個地方，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶就剛好發現了這樣一個系統。

讓我們重新開始講述她的故事。

CRISPR系統之謎中嶄新而未知的部分

之前暫停卡彭蒂耶的故事時，她正住在維也納。但在2009年，她得到了一個在瑞典北部于默奧大學研究的好機會。這個地方對她來說無疑是遙遠的，但那里漫長、黑暗的冬天可以給她足夠的寧靜來工作。

她也正需要這樣的環境。同時，她也對能夠調控基因的小RNA分子非常感興趣。在柏林時，她就已經同其他研究者們一起為化膿性鏈球菌中的RNA測序。結果讓她思慮良多，因為他們發現，在這種細菌中大量存在的一種小RNA分子屬于一類未知的變種，而這種RNA分子的基因序列，同化膿性鏈球菌基因組中特有的CRISPR序列十分接近。

這一相似性使得卡彭蒂耶懷疑這種小RNA分子與化膿性鏈球菌的CRISPR序列是相關聯的。對它們基因序列的細致分析也揭示，這種未知小RNA分子的一部分與CRISPR中的重復序列相匹配。這就像找到了完美拼在一起的兩塊拼圖。

卡彭蒂耶此前從沒研究過CRISPR，但她的研究團隊啟動了深入的微生物研究工作，來繪制化膿性鏈球菌的CRISPR系統圖譜。該系統屬于2型，已知只需要一個Cas蛋白——Cas9，就可以裂解病毒DNA。卡彭蒂耶發現，這種被稱為“反式激活crispr RNA”（trans-activating crispr RNA, tracrRNA）的未知RNA分子也具有決定性的作用：細菌基因組中CRISPR序列生產出來的長鏈RNA，必須要有這種小RNA才能轉變為活性形式。

經過密集而有針對性的實驗，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶于2011年3月發表了對tracrRNA的新發現。她知道接下來將會發生一些激動人心的事情。她在微生物學方面有多年的研究經驗，而在接下來對CRISPR-Cas9系統的研究中，她希望與一位生物化學家合作。自然而然地，她選擇了詹妮弗·杜德納。于是那個春天，當卡彭蒂耶被邀請前往波多黎各參加一個學術會議、講述她的發現時，她的目標就是同這位經驗豐富、技藝高超的伯克利研究員——杜德納見面。

波多黎各咖啡館里，改變人生的聚會

在會議的第2天，她們恰巧在一家咖啡館碰了面。杜德納的一名同事介紹她們認識了對方。會議的第3天，卡彭蒂耶提議一起探索首府的老城區。沿著鵝卵石鋪就的街道漫步時，兩人開始談論她們的研究。卡彭蒂耶詢問杜德納有沒有興趣合作——她是否愿意參與研究更加簡單的化膿性鏈球菌2型系統中 Cas9的功能？

詹妮弗·杜德納很感興趣，她倆和同事們通過數字會議為這個項目制定計劃。她們猜測， CRISPR-RNA 是識別病毒 DNA 所必需的，而 Cas9則是切斷 DNA 分子的剪刀。然而，當她們在體外實驗中測試時，切割沒有發生，DNA 分子保持完整。為什么？是實驗條件有什么問題嗎？或者是 Cas9其實有著完全不同的功能？

經過大量的頭腦風暴和無數次失敗的實驗，她們最終在實驗中加入了 tracrRNA。在此之前，她們曾認為只有當 CRISPR-RNA 被切割成活性形式時，tracrRNA 才是必需的。但是一旦 Cas9遇上了 tracrRNA，每個人都在等待的事終于發生了——DNA 分子被切割成了兩部分。

研究者常常驚嘆于演化提供的解決方案，但這個東西依然是非同尋常的。鏈球菌已經演化出的這種對抗病毒的武器簡單而有效，甚至可說是非常出色。基因剪刀的歷史本可能就停在此處——有一種能給人類帶來巨大痛苦的細菌，卡彭蒂耶和杜德納發現了這種細菌體內的一個基本運行機制。這一發現本身就足夠令人震驚，但準備充分的大腦還能抓住更稍縱即逝的機會。

一個劃時代的實驗

她們決定嘗試去簡化基因剪刀。利用關于 tracrRNA 和 crispr-RNA 的新知識，她們找到了將兩者融合成一個分子的方法，并命名為引導 RNA。利用這種簡化的基因剪刀，她們做了一個劃時代的實驗——研究是否可以控制這種基因工具，使其在研究者想要的位置上切割 DNA。

到了這個時候，她們知道自己即將取得重大突破。她們從杜德納實驗室的冰箱里拿了一個現成的基因，然后選擇5個不同的位點去切割這個基因。然后，她們修改了剪刀的 CRISPR 部分，使其序列與將要裁剪的部分相匹配。結果是壓倒性的大勝。DNA 分子在正確的位置，被精確地切割了。

點擊可看大圖丨原圖：諾貝爾獎官方網站；翻譯：栗子

基因剪刀改變了生命科學

在2012年卡彭蒂耶和杜德納發表了CRISPR/Cas9基因剪刀之后不久，便有許多研究團隊證明，這種工具的確能夠用來修改小鼠和人類細胞的基因組。在此之前，改變細胞或生物體里的基因是非常耗時的，有時甚至是不可能的。而研究人員用上基因剪刀之后，理論上想切哪段基因就可以切哪段基因。然后，再用細胞自身的系統來做DNA修復，改寫生命代碼就很容易了。

由于這種基因工具非常易于使用，如今它在基礎科學當中的應用已經很普遍了。用它來改變細胞的DNA和實驗室動物的DNA，科學家們就能更好地理解不同的基因是如何工作、如何相互影響的，比如在研究一種疾病進程時便可以用到。

除此之外，基因剪刀還成為了植物育種的標配工具。從前，研究人員修改植物基因組的時候，通常需要添加抗生素抗性基因。隨著植物生根發芽，抗生素抗性基因可能會擴散到周圍的生物當中。而有了基因剪刀，研究人員就不需要再用那些添加抗性基因的老方法，因為基因剪刀可以對基因組做出非常精確的修改。比如，科學家們編輯了讓水稻從土壤吸收重金屬的基因，改良過的水稻品種含鎘和砷的量就會更低。另外，研究人員還培育出了在溫暖氣候下更加抗旱的作物，以及能夠抵抗蟲害的作物，來減少殺蟲劑的使用。

治愈遺傳病的希望

在醫學上，基因剪刀為新的癌癥免疫療法做出了貢獻，治愈遺傳疾病的夢想也已經在實現的路上。有研究人員正在進行臨床試驗，看能不能用CRISPR/Cas9來治療像鐮刀型細胞貧血癥和乙型地中海貧血癥這樣的血液病，以及一些遺傳性眼部疾病。

另外，科學家們也在研究為大型器官（如腦和肌肉）修復基因的方法。動物實驗已經證明，經過特殊設計的病毒可以把基因剪刀輸送到指定的細胞，治療動物模型身上毀滅性的遺傳疾病，比如肌肉營養不良癥、脊髓肌肉萎縮癥，以及亨廷頓舞蹈癥。不過，在人類身上測試之前，技術還需要進一步完善。

基因剪刀的力量需要監管

除了種種好處，“基因剪刀”也可能被亂用。

例如，這個工具能夠被用來創造基因編輯胚胎。不過，多年來一直有法律法規控制著基因工程的應用，其中包括禁止以可遺傳的形式修改人類基因組。另外，一些涉及人和動物的實驗在開始前，必須每次都先通過倫理委員會的審查和批準。

可以肯定的一點是：這些基因剪刀會影響我們每一個人。雖然我們將會面對全新的倫理問題，但這個新工具也可能幫忙我們解決人類目前所面臨的許多挑戰。通過她們的研究發現，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德納開發出了一個將生命科學帶入新時代的化學工具。她們讓我們看到了想象不到的無限潛力，而在探索這片新領域的過程中，我們一定會做出新的、意想不到的發現。

最后，讓我們再來認識一下兩位獲獎者：