基因剪刀改寫生命密碼
—— 2020年諾貝爾化學(xué)獎的奧秘

楊先碧

基因被稱為生命密碼，因為生物的外在特征大多是由基因決定的。曾經(jīng)，人們認為改變生命密碼的方法只有繁殖和進化兩種。隨著越來越多生物基因圖譜的完成，科學(xué)家似乎成了新時代的物種工匠，可以按照規(guī)則改變許多生物的基因，其中最重要的方法就是利用被俗稱為“基因剪刀”的基因編輯技術(shù)。法國生物學(xué)家埃瑪紐埃勒?沙爾龐捷和美國生物學(xué)家珍妮弗?道德納發(fā)現(xiàn)了一種特別好用的基因剪刀，她們因此獲得了2020年諾貝爾化學(xué)獎。

科學(xué)家常把基因組比喻成一本生命天書，而且是可以修改的。修改基因組的過程也因此被稱為基因編輯，主要包括對某段基因進行剪切、刪除、移動、粘貼等，其中最重要的步驟是剪切，因此基因編輯技術(shù)又常常被俗稱為“基因剪刀”。

基因編輯是繼轉(zhuǎn)基因之后人類找到的又一種基因工程技術(shù)，它在本質(zhì)上與轉(zhuǎn)基因并無不同，都是在改寫生命密碼，從而在分子水平上改變生物的遺傳特性。在合成生物、育種技術(shù)等領(lǐng)域，兩者可以取長補短；而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基因編輯則更勝一籌。因?qū)δ硞€物種進行基因編輯時不影響其他物種的基因，基因編輯更容易被人們接受。

古老的基因剪刀

從20世紀90年代以來，科學(xué)家開發(fā)出多種基因剪刀。沙爾龐捷和道德納在9年前發(fā)現(xiàn)的CRISPR-Cas，也是一種基因剪刀，如今已廣泛應(yīng)用于基因研究領(lǐng)域。之所以說她們“發(fā)現(xiàn)”而非“發(fā)明”了一種基因剪刀，是因為這種基因剪刀是個超級“老古董”，早已存在于自然界中，已經(jīng)被細菌熟練地運用了數(shù)億年。

CRISPR的意思是“成簇的規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列”。這似乎念起來十分拗口，意思也令人迷惑。沒關(guān)系，我們只要知道它是細菌防御病毒侵入的免疫系統(tǒng)即可。當細菌遭遇病毒入侵后，CRISPR可以產(chǎn)生Cas質(zhì)粒，并以之作為剪刀，將外來病毒DNA中的某些基因片段剪掉，病毒因此被殺滅。

Cas質(zhì)粒是細菌細胞內(nèi)一種自我復(fù)制的環(huán)狀雙鏈DNA分子，能穩(wěn)定獨立地存在于染色體外?，F(xiàn)在常用的Cas質(zhì)粒大多數(shù)是經(jīng)過改造或人工構(gòu)建的，是修改基因的重要工具。

發(fā)現(xiàn)基因剪刀

人們第一次發(fā)現(xiàn)CRISPR是在1987年，由日本分子生物學(xué)家石野良純在大腸桿菌中偶然發(fā)現(xiàn)。但是，由于當時基因科學(xué)的發(fā)展水平有限，他沒有意識到CRISPR系統(tǒng)可以作為生物學(xué)家的基因工具。

進入21世紀以來，改變生物基因的基因工程學(xué)成了最熱門的生物學(xué)研究領(lǐng)域之一。起初，沙爾龐捷的研究課題并非基因剪刀，而是化膿性鏈球菌的生物特性。在研究這種細菌時，她發(fā)現(xiàn)了一種新的RNA分子（即tracrRNA）。在跟蹤這種分子的過程中，沙爾龐捷發(fā)現(xiàn)它是某些細菌免疫系統(tǒng)的一部分。

接下來的研究中，她發(fā)現(xiàn)這種免疫系統(tǒng)居然如同病毒切割機，可用一種切割酶去消滅病毒。細菌中這個殺滅病毒的系統(tǒng)被她稱為CRISPR-Cas。沙爾龐捷2011年發(fā)表了這項研究成果。同年，她與道德納開始合作研究如何把來自細菌的基因剪刀用到其他研究中。她們在實驗室中順利地重建了源自細菌的CRISPR-Cas，將天然的免疫手段轉(zhuǎn)化為可被人類利用的基因剪刀。

她們在進一步的研究中簡化了基因剪刀的分子組成，讓生物學(xué)家用起來更加趁手。如果善加利用，這把基因剪刀不但可以切割任何生物的基因，而且使用起來簡直是輕而易舉。利用這把基因剪刀，生物學(xué)家可以更加便捷地改寫生命密碼。

最鋒利的基因“手術(shù)刀”

在自然界中，CRISPR-Cas有多種類別，其中第九號基因剪刀CRISPRCas9是科學(xué)家研究最深入、應(yīng)用最成熟的一種類別。這種“剪刀”切割精準度最高，切割速度最快，因此操作起來比較方便，被科學(xué)家當成最鋒利的基因“手術(shù)刀”，用于治療人類遺傳病，或是改變其他生物的基因。目前，該技術(shù)成果已應(yīng)用于人類細胞、斑馬魚、小鼠以及細菌的基因組精確修飾。

比如，在用豬培育人類器官的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種器官具有很大的風(fēng)險性，因為豬基因組含有大量內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因，可能引發(fā)未知的人類疾病。中國科學(xué)家楊璐菡利用基因剪刀CRISPR-Cas9，成功將豬腎上皮細胞基因組中的全部62個內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒基因剪切失活，將基因編輯后的豬細胞和人類細胞放在一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)豬病毒對人類細胞的侵染率只是未經(jīng)基因編輯豬細胞的千分之一。

影響我們每個人

CRISPR-Cas9被科學(xué)家稱為第三代基因編輯工具。相比前兩代基因編輯工具（鋅指核酸酶和轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶），CRISPR-Cas9具有成本低、易上手、效率高等優(yōu)勢，因此風(fēng)靡整個生物學(xué)界?？茖W(xué)界普遍認為，這是21世紀以來生物技術(shù)方面最重要的突破。

諾貝爾化學(xué)獎評選委員會如此評價沙爾龐捷和道德納的獲獎成果：“這個基因編輯工具擁有巨大能量，會影響我們每個人。它不僅在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)變革，還產(chǎn)生很多創(chuàng)新性成果，并將為癌癥等難治之病帶來更加有效的療法?！?/p>

人類目前能夠用CRISPR-Cas9治療的疾病主要為血液病和一些惡性腫瘤，其他正在探索CRISPR-Cas9療法的疾病包括先天性失明、艾滋病、精神分裂癥等。

總之，基因剪刀開啟了生命科學(xué)研究的新時代，并在許多方面越來越多地造福人類。