基因剪刀：改寫生命密碼

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?，敿~埃爾·沙爾龐捷和美國生物學(xué)家珍妮弗·杜德納發(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。

修改生命天書

科學(xué)家常把基因組比喻為一本生命天書，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，以及粘貼等，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。在合成生物和育種技術(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。因為對某個物種進行基因編輯時不涉及其他物種的基因，所以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。沙爾龐捷和杜德納發(fā)現(xiàn)的CRISPR-cas，就是一種基因剪刀，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9年前發(fā)現(xiàn)的基因剪刀是個超級“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(dāng)細菌遭到病毒入侵后，CRISPR可以產(chǎn)生Cas質(zhì)粒，并以此作為剪刀，剪切掉病毒DNA中的某些基因片段，從而將其殺滅。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)定地獨立存在于染色體外。現(xiàn)在常用的Cas質(zhì)粒大多數(shù)經(jīng)過了改造或人工構(gòu)建，是修改基因的重要工具。

發(fā)現(xiàn)基因剪刀

人們第一次知道CRISPR是在1987年，是日本分子生物學(xué)家石野良純在大腸桿菌中偶然發(fā)現(xiàn)的。但是，限于當(dāng)時基因科學(xué)的發(fā)展水平，他沒有意識到這一免疫系統(tǒng)可以作為基因編輯工具。

進入21世紀，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。起初，沙爾龐捷研究的并不是基因剪刀，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，進而發(fā)現(xiàn)它是某些細菌免疫系統(tǒng)的一部分。

接下來，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。她把這個系統(tǒng)命名為CRISPR-Cas。

2011年，沙爾龐捷發(fā)表了這項研究成果。同年，她與杜德納開始合作，研究如何把這種基因剪刀用到其他研究中。她們在實驗室中順利重建了源自細菌的CRISPR-Cas，成功將天然免疫手段轉(zhuǎn)化為可以利用的基因剪刀。

她們逐步簡化基因剪刀的分子組成，以便讓生物學(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，而且使用起來得心應(yīng)手。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。

最好使的基因剪刀

自然界中的CRISPR-Cas類別繁多，其中第9號基因剪刀（CRISPR-Cas9）是科學(xué)家研究最深入、應(yīng)用最成熟的。這種“剪刀”切割精準，速度最快，操作起來比較方便，是科學(xué)家手中最為鋒利的基因“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。

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)源性逆轉(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一起培養(yǎng)，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。

基因剪刀將造福人類

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），成本低、易上手和效率高是CRISPR-cas9的優(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)獎評選委員會評價沙爾龐捷和杜德納的獲獎成果說：“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，并將為癌癥等疑難病癥帶來更加有效的療法。”

人類目前用CRISPR-Cas9治療的疾病主要為血液病和一些惡性腫瘤，而包括先天性失明、艾滋病和精神分裂癥等在內(nèi)的病癥也得到了針對性的探索。

總之，基因剪刀開啟了生命科學(xué)研究的新時代，正在越來越多地造福人類。