两位女性一起剪切生命密码,又一起获得诺奖

投稿时间:2020-10-08  消息来源:  提交者:洪门小拳

  

太长不看版vsE蔷薇网

  细菌里存在一些重复编排的DNA序列,名叫CRISPR;vsE蔷薇网

  还有一种与CRISPR相关的蛋白名叫Cas,可以切割病毒DNA;vsE蔷薇网

  卡彭蒂耶和杜德纳利用CRISPR/Cas的特性,开发了一种可以精准切割DNA的工具;vsE蔷薇网

  这种工具应用范围极广,掀起了分子生物学革命,也同样引发人们对伦理问题的思考。vsE蔷薇网

  埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳(Jennifer A. Doudna)获得了2020年的诺贝尔化学奖,获奖理由是她们发现了最先进的基因技术工具之一:CRISPR/Cas9基因剪刀。研究者运用这种工具,可以极其精准地改变动物、植物和微生物的DNA。这项技术掀起了分子生物学的革命,为植物育种带来了新的机遇,为新的癌症治疗手段注入能量,也让治愈遗传性疾病不再只是个梦想。vsE蔷薇网

  科学最有魅力的一点,在于它是不可预测的——你永远不会知道,一个看似平常的点子或提问,将会为我们带来什么。有时候好奇心会走进一个死胡同,有时候会走进一个恼人的迷宫,得花费好几年才能走出来。但是,一次又一次地,她意识到自己是第一个凝视着无限可能性的人。vsE蔷薇网

  名为CRISPR/Cas9的基因编辑工具就是这样一种蕴含惊人潜能的意外发现。当埃马纽埃尔·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德纳开始研究一种链球菌的免疫系统时,她们偶然觉得,自己或许可以开发一种新的抗生素。事情的走向不如她们所愿,她们在研究中发现了一种分子工具,可以精准切割遗传物质,从而使人们有可能轻易改写生命的密码。vsE蔷薇网

Capture.PNGvsE蔷薇网

  运用基因剪刀,研究者可以编辑几乎所有生物的基因组丨诺贝尔奖官方网站vsE蔷薇网

  影响每个人的利器vsE蔷薇网

  仅仅在她们做出这个发现8年后,这些基因剪刀已经重塑了生命科学的模样。生物化学家和细胞生物学家们现在可以轻松地研究不同基因的功能,以及这些基因在疾病进程中所可能扮演的角色。在植物育种方面,研究者们可以赋予植物新的特征,比如在温暖气候中的耐旱能力。在医学领域,这种基因编辑工具正在为新的癌症治疗方法贡献力量,也在尝试治愈遗传病的首批研究中发挥作用。vsE蔷薇网

  关于CRISPR/Cas9基因剪刀的用处,我们还可以举出千千万万个例,当然,也包括不符合伦理的运用。利剑在手,我们更应该规范技术的使用。这一点会在下面再详说。vsE蔷薇网

  2011年,不管是埃马纽埃尔·卡彭蒂耶,还是詹妮弗·杜德纳,都没想到她们在波多黎各一家咖啡馆的首次见面,会成为命运的转折点。我们首先来介绍一下埃马纽埃尔·卡彭蒂耶,是她首先提出了合作。vsE蔷薇网

  被病原细菌吸引的卡彭蒂耶vsE蔷薇网

  有些人将埃马纽埃尔·卡彭蒂耶描述为充满动力、细心并缜密的人,还有人说她坚持不懈地探索未知。她自己则引用了路易斯·巴斯德的名言:“机会只留给有准备的人。”对探索新知、自由独立的急切渴望,引导着她走在今天的道路上。她在巴黎的巴斯德研究所度过了博士生涯。算上这段经历,她在5个国家、7座城市的10家不同机构工作过。vsE蔷薇网

  尽管经历了许多不同的工作环境和研究方式,她的所有研究都有相同的核心:病原细菌。为什么它们具有强烈的攻击性?它们如何发展对抗生素的耐药性?以及,人类能否找到新的治疗方法,阻止它们肆虐?vsE蔷薇网

  2002年,卡彭蒂耶在维也纳大学创建了自己的研究团队。她将研究聚焦于化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes)。这种细菌是对人类造成最严重伤害的病原菌之一,每年感染超过数百万人。这种感染一般只会造成可治疗的扁桃体炎和脓疱疮,但有时会引起致命的败血症并使软组织分解,这让它们获得了“血肉吞噬者”的恶名。vsE蔷薇网

  为了更好地理解化脓性链球菌,卡彭蒂耶决定全面研究这种细菌的基因调控方式。这一决定让她在发现基因剪刀的道路上迈出了第一步。但是在继续讲述这条道路之前,我们需要讲讲詹妮弗·杜德纳的故事。因为,在卡彭蒂耶仔细地研究化脓性链球菌的同时,杜德纳听到了一个缩写。那是她第一次听说这个单词,发音听起来像是crisper。vsE蔷薇网

  科学——如侦探故事一样曲折vsE蔷薇网

  在度假胜地夏威夷长大的詹妮弗·杜德纳,有着强烈的求知欲。一天,她的父亲将詹姆斯·沃森写的《双螺旋》放在了她床上。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克解明DNA分子结构的故事仿佛一部侦探小说,与杜德纳在学校课本中读到的科学知识迥异。她被科学研究的过程深深吸引了,并意识到科学不只是简单地列举事实。vsE蔷薇网

  不过,开始亲自解决科学之谜时,她并未将注意力放在DNA上,而去关注了DNA的“分子同胞”——RNA。2006年,她在加州大学伯克利分校领导着一个研究团队,已经专注于RNA研究二十年了。那时她已经被认为是一个成功的研究者,并且是许多开创性项目的带头人。同时她刚刚开始进入一个激动人心的新兴领域——RNA干扰。vsE蔷薇网

  很长一段时间中,研究者们认为RNA的基础功能已经得到了充分的认知,但是人们突然发现,许多小RNA分子在细胞中参与调控基因活性。2006年,詹妮弗·杜德纳在RNA干扰领域的投入为她带来了来自另一个部门同事的电话。vsE蔷薇网

  细菌携带着古老的免疫系统vsE蔷薇网

  这名同事是一位微生物学家,她告诉了杜德纳一个新的发现:当研究人员将差异较大的细菌以及古生菌(一种微生物)的遗传物质相互比较时,他们发现重复的DNA序列保存得非常完好。相同的编码一遍又一遍地出现,但是在重复的编码区之间,细菌却有着各自不同的独特序列。就好像在一本书中,每一个独特的句子之间都重复着同一个单词。vsE蔷薇网

Capture.PNGvsE蔷薇网

Capture.PNGvsE蔷薇网

  原图:诺贝尔奖官方网站;翻译:Ryan
vsE蔷薇网

  这些重复编排的DNA序列被称为“规律成簇间隔短回文重复”(clustered regularly interspaced short palindromic repeats),缩写为CRISPR。有趣的是,CRISPR中独特的、非重复的序列,似乎与多种病毒的遗传密码相匹配。因此目前的想法是:这是一种古老的免疫系统中的一部分,可以保护细菌和古生菌免受病毒的侵害。假说认为,如果一种细菌成功地在病毒感染之后存活下来,那么它会在自身基因组中加入一段病毒的遗传密码,作为曾感染过病毒的记录。vsE蔷薇网

  杜德纳的同事介绍,目前还无从得知这一切是如何运作的,但是细菌对抗病毒的机制与杜德纳研究的RNA干扰,这两者的相似性却值得考虑。vsE蔷薇网

  杜德纳描绘了一个复杂的系统vsE蔷薇网

  这一消息引人注目又令人激动。如果细菌确实拥有古老的免疫系统,那么这将是一个重大的发现。这也激发了詹妮弗·杜德纳强烈的研究兴趣,于是她开始尽可能地学习有关CRISPR系统的一切知识。vsE蔷薇网

  研究发现,除了CRISPR序列外,还存在一种与CRISPR相关(CRISPR-associated)的特殊基因,简称为Cas。有趣的是,这些基因与编码一些已知蛋白质的基因非常相似,而这些蛋白质专门负责解旋和切割DNA序列。那么Cas蛋白质是否有相同的功能?它们能切割病毒的DNA吗?vsE蔷薇网

  于是杜德纳与她的研究团队开始工作,几年后,他们成功揭示了几种不同Cas蛋白质的功能。与此同时,其他大学的一些研究团队也在研究新发现的CRISPR/Cas系统。他们的工作显示,细菌的免疫系统有着差异较大的各种形式。杜德纳研究的CRISPR/Cas系统属于1型,这是一个复杂的系统,需要许多不同种类的Cas蛋白来分解病毒。而2型系统则非常简单,因为它需要的蛋白质很少。事实上,在世界的另一个地方,埃马纽埃尔·卡彭蒂耶就刚好发现了这样一个系统。vsE蔷薇网

  让我们重新开始讲述她的故事。vsE蔷薇网

  CRISPR系统之谜中崭新而未知的部分vsE蔷薇网

  之前暂停卡彭蒂耶的故事时,她正住在维也纳。但在2009年,她得到了一个在瑞典北部于默奥大学研究的好机会。这个地方对她来说无疑是遥远的,但那里漫长、黑暗的冬天可以给她足够的宁静来工作。vsE蔷薇网

  她也正需要这样的环境。同时,她也对能够调控基因的小RNA分子非常感兴趣。在柏林时,她就已经同其他研究者们一起为化脓性链球菌中的RNA测序。结果让她思虑良多,因为他们发现,在这种细菌中大量存在的一种小RNA分子属于一类未知的变种,而这种RNA分子的基因序列,同化脓性链球菌基因组中特有的CRISPR序列十分接近。vsE蔷薇网

  这一相似性使得卡彭蒂耶怀疑这种小RNA分子与化脓性链球菌的CRISPR序列是相关联的。对它们基因序列的细致分析也揭示,这种未知小RNA分子的一部分与CRISPR中的重复序列相匹配。这就像找到了完美拼在一起的两块拼图。vsE蔷薇网

  卡彭蒂耶此前从没研究过CRISPR,但她的研究团队启动了深入的微生物研究工作,来绘制化脓性链球菌的CRISPR系统图谱。该系统属于2型,已知只需要一个Cas蛋白——Cas9,就可以裂解病毒DNA。卡彭蒂耶发现,这种被称为“反式激活crispr RNA”(trans-activating crispr RNA, tracrRNA)的未知RNA分子也具有决定性的作用:细菌基因组中CRISPR序列生产出来的长链RNA,必须要有这种小RNA才能转变为活性形式。vsE蔷薇网

  经过密集而有针对性的实验,埃马纽埃尔·卡彭蒂耶于2011年3月发表了对tracrRNA的新发现。她知道接下来将会发生一些激动人心的事情。她在微生物学方面有多年的研究经验,而在接下来对CRISPR-Cas9系统的研究中,她希望与一位生物化学家合作。自然而然地,她选择了詹妮弗·杜德纳。于是那个春天,当卡彭蒂耶被邀请前往波多黎各参加一个学术会议、讲述她的发现时,她的目标就是同这位经验丰富、技艺高超的伯克利研究员——杜德纳见面。vsE蔷薇网

  波多黎各咖啡馆里,改变人生的聚会vsE蔷薇网

  在会议的第2天,她们恰巧在一家咖啡馆碰了面。杜德纳的一名同事介绍她们认识了对方。会议的第3天,卡彭蒂耶提议一起探索首府的老城区。沿着鹅卵石铺就的街道漫步时,两人开始谈论她们的研究。卡彭蒂耶询问杜德纳有没有兴趣合作——她是否愿意参与研究更加简单的化脓性链球菌2型系统中 Cas9的功能?vsE蔷薇网

  詹妮弗·杜德纳很感兴趣,她俩和同事们通过数字会议为这个项目制定计划。她们猜测, CRISPR-RNA 是识别病毒 DNA 所必需的,而 Cas9则是切断 DNA 分子的剪刀。然而,当她们在体外实验中测试时,切割没有发生,DNA 分子保持完整。为什么?是实验条件有什么问题吗?或者是 Cas9其实有着完全不同的功能?vsE蔷薇网

  经过大量的头脑风暴和无数次失败的实验,她们最终在实验中加入了 tracrRNA。在此之前,她们曾认为只有当 CRISPR-RNA 被切割成活性形式时,tracrRNA 才是必需的。但是一旦 Cas9遇上了 tracrRNA,每个人都在等待的事终于发生了——DNA 分子被切割成了两部分。vsE蔷薇网

  研究者常常惊叹于演化提供的解决方案,但这个东西依然是非同寻常的。链球菌已经演化出的这种对抗病毒的武器简单而有效,甚至可说是非常出色。基因剪刀的历史本可能就停在此处——有一种能给人类带来巨大痛苦的细菌,卡彭蒂耶和杜德纳发现了这种细菌体内的一个基本运行机制。这一发现本身就足够令人震惊,但准备充分的大脑还能抓住更稍纵即逝的机会。vsE蔷薇网

  一个划时代的实验vsE蔷薇网

  她们决定尝试去简化基因剪刀。利用关于 tracrRNA 和 crispr-RNA 的新知识,她们找到了将两者融合成一个分子的方法,并命名为引导 RNA。利用这种简化的基因剪刀,她们做了一个划时代的实验——研究是否可以控制这种基因工具,使其在研究者想要的位置上切割 DNA。vsE蔷薇网

  到了这个时候,她们知道自己即将取得重大突破。她们从杜德纳实验室的冰箱里拿了一个现成的基因,然后选择5个不同的位点去切割这个基因。然后,她们修改了剪刀的 CRISPR 部分,使其序列与将要裁剪的部分相匹配。结果是压倒性的大胜。DNA 分子在正确的位置,被精确地切割了。vsE蔷薇网

Capture.PNGvsE蔷薇网

  原图:诺贝尔奖官方网站;翻译:栗子vsE蔷薇网

  基因剪刀改变了生命科学vsE蔷薇网

  在2012年卡彭蒂耶和杜德纳发表了CRISPR/Cas9基因剪刀之后不久,便有许多研究团队证明,这种工具的确能够用来修改小鼠和人类细胞的基因组。在此之前,改变细胞或生物体里的基因是非常耗时的,有时甚至是不可能的。而研究人员用上基因剪刀之后,理论上想切哪段基因就可以切哪段基因。然后,再用细胞自身的系统来做DNA修复,改写生命代码就很容易了。vsE蔷薇网

  由于这种基因工具非常易于使用,如今它在基础科学当中的应用已经很普遍了。用它来改变细胞的DNA和实验室动物的DNA,科学家们就能更好地理解不同的基因是如何工作、如何相互影响的,比如在研究一种疾病进程时便可以用到。vsE蔷薇网

  除此之外,基因剪刀还成为了植物育种的标配工具。从前,研究人员修改植物基因组的时候,通常需要添加抗生素抗性基因。随着植物生根发芽,抗生素抗性基因可能会扩散到周围的生物当中。而有了基因剪刀,研究人员就不需要再用那些添加抗性基因的老方法,因为基因剪刀可以对基因组做出非常精确的修改。比如,科学家们编辑了让水稻从土壤吸收重金属的基因,改良过的水稻品种含镉和砷的量就会更低。另外,研究人员还培育出了在温暖气候下更加抗旱的作物,以及能够抵抗虫害的作物,来减少杀虫剂的使用。vsE蔷薇网

  治愈遗传病的希望vsE蔷薇网

  在医学上,基因剪刀为新的癌症免疫疗法做出了贡献,治愈遗传疾病的梦想也已经在实现的路上。有研究人员正在进行临床试验,看能不能用CRISPR/Cas9来治疗像镰刀型细胞贫血症和乙型地中海贫血症这样的血液病,以及一些遗传性眼部疾病。vsE蔷薇网

  另外,科学家们也在研究为大型器官(如脑和肌肉)修复基因的方法。动物实验已经证明,经过特殊设计的病毒可以把基因剪刀输送到指定的细胞,治疗动物模型身上毁灭性的遗传疾病,比如肌肉营养不良症、脊髓肌肉萎缩症,以及亨廷顿舞蹈症。不过,在人类身上测试之前,技术还需要进一步完善。vsE蔷薇网

  基因剪刀的力量需要监管vsE蔷薇网

  除了种种好处,“基因剪刀”也可能被乱用。vsE蔷薇网

  例如,这个工具能够被用来创造基因编辑胚胎。不过,多年来一直有法律法规控制着基因工程的应用,其中包括禁止以可遗传的形式修改人类基因组。另外,一些涉及人和动物的实验在开始前,必须每次都先通过伦理委员会的审查和批准。vsE蔷薇网

  可以肯定的一点是:这些基因剪刀会影响我们每一个人。虽然我们将会面对全新的伦理问题,但这个新工具也可能帮忙我们解决人类目前所面临的许多挑战。通过她们的研究发现,埃马纽埃尔·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德纳开发出了一个将生命科学带入新时代的化学工具。她们让我们看到了想象不到的无限潜力,而在探索这片新领域的过程中,我们一定会做出新的、意想不到的发现。vsE蔷薇网

  最后,让我们再来认识一下两位获奖者:vsE蔷薇网

Capture.PNGvsE蔷薇网

  左:埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)。1968年生于法国奥尔日河畔瑞维西。于1995年在法国巴斯德研究所获得博士学位。德国马克斯·普朗克病原体科学研究所主任。vsE蔷薇网

  右:詹妮弗·杜德纳(Jennifer A. Doudna)。1964年生于美国华盛顿特区。于1989年在美国哈佛医学院获得博士学位。美国加州大学伯克利分校教授、霍华德·休斯医学研究所研究员。vsE蔷薇网

  翻译来源:vsE蔷薇网

  https://www.nobelprize.org/uploads/2020/10/popular-chemistryprize2020.pdfvsE蔷薇网

  翻译:李小葵,核桃苗,Ryan,Diana,游识猷,栗子,CloudvsE蔷薇网


vsE蔷薇网

   顶一下    踩一下

共有 条评论

评论内容

记得先输入验证码,再发布评论哦!(点击验证码小图可以更新)