太长不看版

细菌里存在一些重复编排的DNA序列，名叫CRISPR；

还有一种与CRISPR相关的蛋白名叫Cas，可以切割病毒DNA；

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；

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。

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。

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。

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。

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

影响每个人的利器

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。

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。

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。

被病原细菌吸引的卡彭蒂耶

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。

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？

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。

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。

科学——如侦探故事一样曲折

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。

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。

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。

细菌携带着古老的免疫系统

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。

点击可看大图丨原图：诺贝尔奖官方网站；翻译：Ryan

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。

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。

杜德纳描绘了一个复杂的系统

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。

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？

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。

让我们重新开始讲述她的故事。

CRISPR系统之谜中崭新而未知的部分

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。

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。

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。

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。

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。

波多黎各咖啡馆里，改变人生的聚会

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？

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？

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。

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。

一个划时代的实验

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。

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。

点击可看大图丨原图：诺贝尔奖官方网站；翻译：栗子

基因剪刀改变了生命科学

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。

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。

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。

治愈遗传病的希望

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。

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。

基因剪刀的力量需要监管

除了种种好处，“基因剪刀”也可能被乱用。

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。

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。

最后，让我们再来认识一下两位获奖者：

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。

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。

翻译：李小葵，核桃苗，Ryan，Diana，游识猷，栗子，Cloud

编辑：odette

翻译来源：

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