改写生命密码

　　基因是存在于生物体内具有遗传效应的核酸片段，它决定了生物的各种性状。基因编辑，顾名思义就是在基因层面进行编辑，对DNA序列进行敲除、插入、替换，从而改变生物性状。

　　基因编辑技术早在20世纪90年代就已经出现，但当时由于技术不够成熟，操作起来非常困难，成功概率也非常低。直到2012年，被誉为“基因魔剪”的CRISPR/Cas9技术横空出世，才让基因编辑变得便捷可行。它能够快速而准确地对DNA进行修改，就像在电脑上进行文本修改一样——把需要修改的地方找出来，然后使用工具插入、删除或者改写成自己所需要的文本。

　　目前，CRISPR/Cas9已经成为生物学研究中最常用的基因编辑手段，这一简单、高效、价廉的技术，可以精确地删除、添加、替换或修改动植物甚至人类身上的基因。相关技术广泛应用于农业领域和生物医药领域。在植物学研究中，人们已经开发出抗霉菌、害虫和干旱的基因编辑作物。基因编辑技术作为一种新兴治疗技术，可以治疗多种疾病：超过7 000种单基因病，比如镰状细胞贫血症和亨廷顿舞蹈症，理论上都可以通过修复错误的基因突变治愈;一些复杂性疾病或特发性疾病也可以通过调整特定基因，达到治疗目的;基于基因编辑技术开发的新的癌症疗法也正在临床试验中。

　　什么是CPISPR/Cas9

　　CRISPR的全称是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，这个词组的字面意思就是“同一类特征明显、排列整齐、秩序一致的重复序列”。早在1987年，日本大阪大学的中田九郎研究组就发现了这种重复序列，他们在研究大肠杆菌时，观察到细菌的DNA中有一些重复出现的序列，而这些重复序列中间则穿插着独立的、不同的序列。这就好比在一段文字中，每一个独立的句子中间总是重复出现一模一样的短语。这样的序列显然是异常的，但当时人们并不知道这些重复序列究竟有什么作用，也没有正式为这些重复序列命名。直到20世纪80年代末，西班牙阿利坎特大学的弗朗西斯科?莫伊察再次在一种古菌中发现了类似的重复序列，这引起了他极大的研究兴趣，他随后与荷兰乌得勒支大学的吕德?扬森共同把这种重复序列命名为“CRISPR”。

　　2005年，CRISPR研究领域迎来了一个重要发现，莫伊察和另一个研究组都观察到CRISPR重复序列之间的间隔序列并非来自原核生物自身，而是来源于外源的病毒。因此，莫伊察提出了CRISPR与一种适应性免疫系统有关的假设。受此启发，当时在一家酸奶公司工作的法国微生物学家鲁道夫?巴郎格通过实验证明了CRISPR确实是一种适应性免疫系统的一部分。

　　既然CRISPR只是免疫系统的一部分，那么它就不会是“孤军奋战”。在整个免疫系统发挥作用的过程中，还需要一种叫作Cas的核酸酶对目标DNA进行切割。当外源病毒进入细胞时，Cas核酸酶会将外源DNA剪成小片段，并将它们粘贴到自身的DNA片段中存储。当再次遇到同种病毒入侵时，细菌就能够根据存储的片段识别病毒，将病毒的DNA切断，使之失效。不同的细菌中Cas核酸酶的种类也不尽相同，这些与CRISPR相关的蛋白被命名为Cas家族，而Cas9就是众多家族成员之一。

　　到这时，CPISPR/Cas9作为一种适应性免疫系统的生物学功能已经被证实，但是这套免疫机制中的细节还有待补充——例如，切断病毒DNA的“剪刀”只是由Cas酶构成的吗?这把“剪刀”是怎么找到需要剪切的DNA位点的呢?

　　2011年，沙尔庞捷在研究化脓性链球菌期间发现了一种此前未知的分子——tracrRNA。她的研究工作显示，tracrRNA也是免疫系统CPISPR/Cas9的一部分，而且发挥着关键性作用：由CRISPR DNA复制得到的RNA长链只有在tracrRNA的作用下，才能转化成活性形式。随后，她与道德纳展开合作，进一步明确了CRISPR、Cas9和tracrRNA共同完成识别病毒、剪断病毒DNA从而使其“缴械投降”这一系列过程的发生机制。

　　如果把CPISPR/Cas9系统的免疫机制看作一张拼图的话，那么至此，随着她们这些工作的逐步完成，这张拼图算是基本拼搭完整了。

　　百尺竿头更进一步，沙尔庞捷与道德纳又成功地在试管中重构了细菌的CPISPR/Cas9系统，并简化了这一系统的分子成分。她们还改进了CPISPR/Cas9系统，使其宛如一把基因剪刀，可以在任何指定位置剪断DNA分子，而在剪开的位置，还可以轻松地重新编写新的DNA。这标志着CPISPR/Cas9从一种天然存在于细菌中的免疫机制，被改造成为一把高效便捷、且可以人为控制的“基因剪刀”。

　　英雄簿上的其他科学家

　　重大的科学发现通常是许多科学家共同研究的结晶，除了沙尔庞捷和道德纳以外，CRISPR基因编辑技术的发展史上还有很多英雄，虽然他们没有获得此次诺贝尔奖，但是同样做出了伟大的贡献。其中最值得一提的就是华人科学家张锋。

　　2013年初，张锋团队发表了首次使用CRISPR/Cas9技术对哺乳动物细胞进行基因编辑的研究结果。而在CRISPR/Cas9专利争夺战中，尽管沙尔庞捷和道德纳发表论文的日期和递交专利申请的日期都早于张锋，但是张锋向专利局提交了自己的实验记录，从而第一个得到了相关专利。此后，张锋不断探索 CRISPR 技术新的应用，也不断拓展他的商业版图。2013年，张锋与其他几位 CRISPR 技术发展的关键人物在美国波士顿共同创立了爱迪塔斯医药公司，希望利用包括 CRISPR-Cas9在内的基因编辑技术，通过修改致病基因来达到治疗疾病的目的。2019年，爱迪塔斯公司正式宣布将和制药巨头艾尔建公司一同启动针对一类眼部遗传病的 CRISPR 基因编辑疗法的临床试验，该疗法将对眼部细胞进行基因编辑，这将是全球范围内首个在人体内进行的 CRISPR 基因编辑研究。

　　沙尔庞捷、道德纳和张锋都对CRISPR 技术的发展做出了巨大的贡献。但毕竟诺贝尔奖是更重视原创性工作的奖项，从1到100很好，不过从0到1更重要，所以说，沙尔庞捷和道德纳获得诺贝尔奖是实至名归的。沙尔庞捷和道德纳是 CRISPR 技术的开创者，而张锋将她们发明的技术进一步应用到动物和人体细胞，并将其发扬光大，他同样是 CRISPR 技术的先驱者。

　　如今，CRISPR 技术不仅在基因组编辑领域得到了应用，在基因检测方面也展现出巨大的潜力。2017年，道德纳团队开发了DETECTR基因检测系统，能够在1小时内检测出 HPV16感染，准确率达到100%且单次测试成本不到1美元。与此同时，张锋团队也利用CRISPR-Cas13a开发出了SHERLOCKv2系统，与DETECTR系统不同的是，SHERLOCKv2可以同时检测多种序列。同时，张锋团队还开发了类似验孕棒的试纸检测方法，只需一张试纸，SHERLOCKv2就能显示出病毒感染的检测结果，这使得检测过程更为便利。在今年新冠病毒的检测技术开发中，SHERLOCKv2也曾一显身手。

　　CRISPR-Cas9 技术无疑是一项变革性的科学成就，它带领生命科学进入了一个崭新的时代。更确切的说，因为有了这项技术，人类从此步入了一个崭新的时代——一个可以改写生命密码的时代。

　　文/顾舒晨

本文来自《科学画报》