切开DNA的魔剪，编辑基因组！揭开诺贝尔化学奖背后的秘密（组图）

导读：近年来火热的CRISPR基因编辑系统，帮助两位女性科学家斩获了诺贝尔化学奖。这一革命性的发现为整个生物技术领域提供了无限可能。

当地时间10月7日，瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松宣布，将2020年诺贝尔化学奖授予Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna，以表彰她们在“凭借开发基因组编辑方法”方面作出的贡献，两位获奖者将分享1000万瑞典克朗奖金（约合760万人民币）。

Jennifer Doudna现为加州大学伯克利分校分子和细胞生物学及化学教授，以及霍华德·休斯医学研究所的研究员，她与同事、德国柏林马克斯·普朗克感染生物学研究所所长Emmanuelle Charpentier于2012年研究发现了CRISPR-Cas9基因编辑技术。

两名研究者此前已因该突出贡献获得了以色列2020年沃尔夫医学奖，该奖项长期以来被认为是诺贝尔奖的风向标之一。

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CRISPR背后的秘密

CRISPR基因编辑系统的故事还要从一座名为圣波拉（Santa Pola）的地中海小城说起。30年前，一位名为Francisco Mojica的年轻人在当地的一所大学开始攻读博士学位，而他的研究对象，就是圣波拉海滩上发现的一种古细菌。

在分析这种古细菌的DNA序列时，年轻的Mojica观察到了一个有趣的现象——这些微生物的基因组里，存在许多奇怪的“回文”片段。这些片段长30个碱基，而且会不断重复。在两段重复之间，则是长约36个碱基的间隔。对于这种具有规律性的重复，Mojica后来给它起了一个拗口的名字“常间回文重复序列簇集”（Clustered Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeats）。不过它的缩写好记多了，它就是CRISPR。

为了寻找CRISPR序列的功能，Mojica教授每天都在数据库里痛苦地搜索，想要发现这些奇怪序列的意义。2003年，大海捞针般的探索，还真的给他找到了一片新天地！Mojica教授发现，一些大肠杆菌内的CRISPR序列，与一种叫做“P1噬菌体”的病毒的序列高度吻合。顾名思义，噬菌体是一种能够“吃掉”细菌的病毒，这一种噬菌体也的确能够攻击大肠杆菌。但有意思的是，Mojica教授所研究的这批大肠杆菌，竟能完全不受P1噬菌体的感染！Mojica教授立刻意识到，这与人类的免疫系统何其相似！在人体里，免疫系统会记住过去遇到过的病原体的模样。等到病原体入侵时，就会对其发起攻击。而在大肠杆菌细胞内，CRISPR序列也同样能让细菌记住噬菌体的模样，抵抗病毒的感染。在接下来的几年里，科学家们对CRISPR序列的作用做了进一步的完善，并阐明了它的详细机理。原来在病毒感染细菌后，CRISPR序列会喊来帮手，形成一个具有核酸切割能力的复杂结构，并最终切断病毒的DNA。对于细菌来说，这是从源头清除病毒感染的好方法。

但对生物学家来说，这套细菌的“免疫系统”，让他们看到了精准切割DNA的希望！或许，它能被开发成为一种高效的基因编辑方法。

2012年，维也纳的Emmanuelle Charpentier教授与加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的Jennifer Doudna教授在《科学》杂志上发表了她们的发现，确认她们所设计的CRISPR-Cas9基因编辑系统（Cas9是一种能切割DNA的内切酶）能在DNA的特定部位“定点”切开口子。在论文中，她们也指出将来有潜力利用这个系统，对基因组进行编辑。

Emmanuelle Charpentier教授与Jennifer Doudna教授报道的CRISPR基因编辑系统

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争议与发展

作为基因技术中最锐利的工具之一，CRISPR/Cas9”基因剪刀”可以方便研究人员精确地改变动物、植物和微生物的DNA。她们的研究为发现治疗当前不治之症的新方法铺平道路，从而使医学产生革命性的变化。

基因编辑是一种永久改变DNA的方法，可以从根源上解决基因疾病。它还可以广泛用于其他用途——从攻击蚊子身上的疟疾到培育更耐寒的作物。CRISPR则是一种工具，它帮助研究者在活细胞内精确地找到一段DNA，并将其切片，使科学家能够打开或关闭基因，修复或替换它们。它已经被用于实验室，并在治疗癌症和其他疾病的早期测试中。

与以往的基因组编辑技术相比，CRISPR/Cas9在疾病治疗前景优势非常明显：它的设计和制造极其简单，技术门槛很低（只需要设计一段几十个碱基构成的CRISPR序列）；它的打击效率非常高，甚至可以实现一次发射、多重打击（可以一次基因治疗使用多个CRISPR片段，同时修改几个疾病位点）；它的打击方式更加多样化（人们已经证明，使用CRISPR、Cas9技术，可以对特定基因组位点实现删除、修复、替换等等功能）。

高效便捷也使得CRISPR/Cas9技术具备广泛的市场价值。

有市场分析认为，几年之内以CRISPR为基础的基因组编辑市场会达到每年数十亿美元的市场规模。而更乐观的估计则认为，这是一个年销售额接近500亿美元的庞大市场。

巨大的市场价值也使得围绕着CRISPR的争议也不少。自这项技术问世以来，有关CRISPR基因编辑技术的专利就一直是个热议的问题，迄今也没有得到完美解决。