埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）和詹妮弗·杜德纳（JenniferDoudna）因开发CRISPR/Cas9基因编辑而获得年诺贝尔化学奖。
在德国马克斯·德尔布吕克分子医学中心，一名研究人员在基因组编辑实验中给细胞注射CRISPR/Cas9分子。
科学——给我们的一个深刻教训是：即使在许多人类最辉煌的发明中，大自然也是第一个到达那里的。就在前天年诺贝尔化学奖的评选对象是两位科学家，她们因发现和开发了一种革命性的基因组编辑方法而享有殊荣——这一方法使研究人员能够轻松地修改和研究微生物、植物和动物细胞的基因组，精确性和有效性在十年前都是难以估量的。然而，尽管在我们看来，该项技术是极具革命性和创新的，但其最早源自于一种细菌进化而来的产物，可能在10多亿年前就已经存在，只不过直到最近才被人们注意到。
来自马克斯·普朗克（MaxPlanck）病原体科学研究所感染生物学组的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）和加州大学伯克利分校的詹妮弗·杜德纳（JenniferDoudna）因其在CRISPR/Cas9基因组编辑方面的工作而获得认可——这项技术通常被简称为CRISPR，通常被称为基因剪刀。此次获奖标志着两位女性首次获得诺贝尔科学奖。
在年的一篇开创性论文中，卡彭蒂耶（Charpentier）和杜德纳（Doudna）表明，在细菌和古菌中发现的古老免疫系统的关键成分可以被重组来编辑DNA，就像诺贝尔委员会所说的那样：从本质上改写生命密码。
在此后的八年中，这一发现改变了生命科学，使基因组编辑在世界各地的实验室中变得司空见惯。它使研究人员能够随意探究基因的功能，并推动了分子生物学领域的飞跃式发展；创新了植物育种的新方法；开发了针对镰状细胞病等病症的前景广阔的新基因疗法，其中一些已进入临床试验阶段。
01今年诺贝尔化学奖得主，是否会饱受争议？
毫无疑问，诺贝尔委员会的这次评选将会饱受争议，因为与CRISPR有关的知识产权的纠纷已经广为人知。立陶宛维尔纽斯大学的维吉尼尤斯·西克什尼奥斯（Virginijusshiknys）与卡彭蒂耶（Charpentier）和杜德纳（Doudna）几乎同时独立提出了利用细菌的这些基因特征作为基因组编辑工具的想法，而他有时也会与她们并肩获得荣誉。还有另外两位科学家，麻省理工学院的张锋和哈佛大学的乔治·丘奇（GeorgeChurch），也常常被认为是CRISPR技术的早期共同发现者和开发者，如果将他们排除在外也会引发不小的争论。然而，从另一个角度来看，科学界没有人会质疑——卡彭蒂耶（Charpentier）和杜德纳（Doudna）的工作为CRISPR技术所作出的贡献，因为她们为如今该技术的大量使用和改变市场规则奠定了基础。
02什么是CRISPR/Cas系统？
从左到右：埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）和詹妮弗·杜德纳（JenniferDoudna）展示了在细菌中发现的古老免疫系统的部分如何被重新利用来编辑DNA。
这种排序方式促使法国的一个研究小组在年提出一种新观点，对于细菌来说，CRISPR/Cas系统可以作为一种免疫系统来对抗持续的病*攻击者。他们认为，当细菌在病*感染后幸存下来时，它们会将清除的病*DNA的微小片段储存在自己基因组的CRISPR部分，以备将来参考——研究人员将这种装置描述为对过去基因攻击的记忆。如果同一种病*再次攻击这些细菌或它们的后代时，细菌可以利用“档案”中的病*DNA，将Cas酶引导到入侵者身上，从而迅速消灭它们。
卡彭蒂耶（Charpentier）和杜德纳（Doudna）开发的技术借用了细菌的这种精确的基因组切片能力，并将其变成了更通用的基因组编辑工具，以CRISPR基因结构作为靶向工具，由Cas9酶来进行切割。
03卡彭蒂耶（Charpentier）和杜德纳（Doudna）是如何将CRISPR用于基因编辑的？
卡彭蒂耶（Charpentier）和杜德纳（Doudna）首先概述了细菌CRISPR/Cas9防御重复病*入侵者的分子机制。从本质上来讲，当病*攻击时，幸存下来的细菌会将一段病*DNA纳入它们的CRISPR阵列中。如果该病*再次攻击它们或它们的后代，细菌就会将CRISPR中包含病*DNA的部分转录成RNA。RNA分子与卡彭蒂耶（Charpentier）之前发现的第二个RNA分子一起，引导Cas9蛋白到达目标：病*试图再次入侵的相应DNA。在那里，分子复合物发挥了它作为基因剪刀的作用，切断了病*的DNA并解除了入侵者的武装。
为了将其转化为一种更通用的基因编辑工具，卡彭蒂耶（Charpentier）和杜德纳（Doudna）与其他同事一起，将这两种类型的RNA融合成了单一的引导RNA。他们表示，结合Cas9——这种更精简的系统可以在试管中定位和剪切病*DNA。
02:54视频：詹妮弗·杜德纳（JenniferDoudna），CRISPR技术的共同发明者之一，讨论了她在细菌对病*的防御方面的工作是如何帮助导致一项对生物研究具有革命性影响的发现。
虽然CRISPR编辑技术可能只涉及到这一点——移除一些基因或DNA片段。但科学家们也想出了如何利用细胞的天然修复机制，在手术切割的部位引入自己制造的DNA序列，让他们增加新的遗传密码或纠正某些突变。
04是什么让CRISPR比其他编辑基因组的技术更好？
自20世纪70年代以来，研究人员已经能够使用剪切和粘贴重组基因编辑技术来修改细胞。但这些方法也是基于自然存在的细菌酶，缺乏CRISPR所能达到的精确程度。部分原因是：这种重组方法往往不能足够精确地针对独特的DNA序列。这在一定程度上，是因为这样的重组方法往往不能以足够的准确度锁定特定的DNA序列：它们可能会在基因组中的一个非预期位置切割，导致结果难以预测。这种酶可以被设计成针对更长的序列，具有更强的专一性，但这是一个比CRISPR更加困难和复杂的过程。这种易用性极大地促进了CRISPR的普及。
然而，这并不是说CRISPR就不存在挑战。例如，它仍然可能导致意外的改变，或者导致生物体发生意外反应（包括免疫反应）。出于这个原因，科学家们继续致力于开发更复杂的CRISPR版本。
CRISPR也不一定是每项工作的最佳工具，也不是基因组编辑技术的最后一种选择。科学家们还在使用RNA干扰（RNAi）、转录激活剂样效应核酸酶（TALENs）和巨核酸酶等酶来重写基因组。此外，一些研究人员现在正在开发基因组编辑工具，这些工具并不像CRISPR和TALENs那样利用细胞修复DNA的天然机制。相反，他们正在寻找基于表观遗传学的方法：一次重写一个碱基的DNA。
05CRISPR的使用存在哪些争议？
有意改变基因组的技术一直以来都深陷争议之中，无论是在道德上的使用，还是在工程生物体带来的潜在危险上。CRISPR也不例外，尤其是它已经被用于编辑微生物、植物和动物细胞——包括人类细胞，因为科学家们正在寻找治疗大量遗传病的方法。CRISPR的易用性会使其的滥用行为成为一种潜在危险，这也是值得深思的隐患。
年，南科大副教授贺建奎在其报告表示，他利用CRISPR技术编辑了双胞胎婴儿的基因组，试图使他们对艾滋病*产生抵抗力，这一报道震惊了世界——这重新引发了关于基因编辑伦理的长期辩论。在该消息公布后，立即遭到了广大科学界学者的广泛谴责，包括杜德纳（Doudna）本人，她认为这项工作是可怕的、危险的、不成熟的。(杜德娜一直在积极鼓励国际科学界为CRISPR的使用制定合理的指导方针)。
但是，生殖系编辑的伦理学并不是科学家们对CRISPR潜在用途的唯一担忧。另一个问题涉及到如何应用它来创造所谓的基因驱动力，这使得研究人员能够极大地提高一种感兴趣的特征性状从亲本传给后代的几率。虽然到目前为止，这只是在实验室环境中的尝试，但一些科学家希望有一天能用它来控制野外的入侵物种和携带疾病的昆虫。然而，根据最近的建模分析来看，这样做可能会带来一个令人担忧的风险，即基因驱动力会扩散到目标人群之外并失去控制。
因此，在涉及CRISPR技术的争议性应用时，研究人员正在谨慎行事。但不可否认的是，CRISPR技术已经将基础科学和疾病研究推向了一个新时代。
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撰写：GolevkaTech
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