【基因界的威力導演】諾貝爾化學獎得主研發「基因編輯」技術,透過序列剪輯有望開發癌症新療法!

【我們為什麼挑選這篇文章】今年諾貝爾化學獎於 7 日揭曉,由法籍科學家 Emmanuelle Charpentier 和美籍科學家 Jennifer Doudna 共同研究的 CRISPR/Cas9「基因剪刀」獲獎。是什麼契機讓相隔歐美兩地的科學家共同研究基因編輯主題?又基因剪刀與過去基因編輯工具,像是類轉錄活化因子核酸酶(TALEN)或鋅指核酸酶(ZFN)有甚麼差異,將如何改變人類生活呢?(責任編輯:何泰霖)

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作者:量子位

2020 年諾貝爾化學獎,頒給了兩位基因編輯技術科學家。

要知道她們在去年,可是諾貝爾生理學或醫學獎的熱門候選,並且支持者非常堅定,認為今年是時候輪到她們了。沒想到一年之後,該方向研究在「理科綜合獎」——諾貝爾化學獎實現加冕。

她們是:Emmanuelle Charpentier,法國籍科學家,德國柏林馬克斯·普朗克病原體科學研究所主任,和 Jennifer Doudna ,美國籍科學家,現為加州大學伯克利分校教授,霍華德·休斯醫學研究所研究員。

諾貝爾獎委員會表示:

他們開發了基因技術中最銳利的工具之一:CRISPR/Cas9「基因剪刀」。利用這些技術,研究人員可以極其精確地改變動物、植物和微生物的 DNA 。這項技術對生命科學產生了革命性的影響,可以幫助研究者開發新的癌症療法,並使治癒遺傳疾病的夢想成為現實。

兩位女性獲獎科學家研究背景

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Emmanuelle Charpentier,(伊曼紐.夏彭提耶)現任德國柏林馬克斯-普朗克感染生物學研究所所長。她 1968 年出生於法國的 Juvisy-sur-Orge,今年 52 歲,在巴黎的 Pierre and Marie Curie 大學(今索邦大學理學院)學習生物化學、微生物學和遺傳學。

2013 年,伊曼紐.夏彭提耶更進一步將這一技術商業化,成立了 CRISPR Therapeutics 公司。夏彭提耶曾獲得許多國際獎項,包括生命科學突破獎、 Louis-Jeantet 醫學獎、 Gruber 基金會國際遺傳學獎、德國最負盛名的研究獎 Leibniz 獎等等。

另一位,Jennifer A. Doudna(珍妮佛.道納),生於 1964 年 2 月 19 日,今年 56 歲。美國生物化學家,目前她是加州大學伯克利分校化學系和分子與細胞生物學系的講座教授。

道納 1985 年畢業於波莫納學院, 1989 年獲得哈佛大學醫學院博士學位。自 1997 年以來,她一直是霍華德·休斯醫學研究所(HHMI)的研究人員。 2018 年,她又在格萊斯頓研究所擔任高級研究人員的職位,同時也是 UC Berkeley 的教授。

2012 年,道納和夏彭提耶率先提出 CRISPR-Cas9 可以用於基因組的編輯,被認為是生物學史上最重要的發現之一。道納在生物化學和遺傳學領域做出了基礎性的貢獻,並獲得了許多著名的獎項和獎學金。而另一項重要成果,是對核糖體 X 射線晶體學確定結構的研究,她也因此獲得 2000 年艾倫·T·沃特曼獎。

找出 Cas9 蛋白, 加乘 CRISPR-Cas9 基因編輯技術威力!

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CRISPR,是 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats 的縮寫。即常間回文重複序列叢集,利用這種序列,細菌可以對侵襲過它的病毒產生「記憶」。

CRISPR 在 20 世紀 80 年代被日本科學家發現,但直到夏彭提耶和道納發現一種名叫 Cas9 的蛋白,CRISPR 才顯示出它作為基因組編輯工具的巨大潛力。

夏彭提耶對化膿性鏈球菌(一種對人類造成最大傷害的細菌)的研究中,發現了一種以前未知的分子——tracrRNA。她的研究表明, tracrRNA 是古老細菌的免疫系統 CRISPR/Cas 的一部分,該系統透過切割病毒的 DNA 從而解除了它們的「進攻」。

而道納則是有豐富 RNA 知識的資深生物化學家。據《環球科學》在 2014 年的專題文章介紹,夏彭提耶和道納在波多黎各聖胡安的一場科學會議上相識。

她們有很多共同點:他們的團隊都在研究細菌防禦病毒入侵的機制;他們都已經確認,細菌可以記住以前入侵過自己病毒的 DNA ,以此來識別病毒,當該病毒再次入侵時,它們就會立刻認出「敵人」。

那次會議後不久,她們就決定合作。

當時,夏彭提耶在于默奧大學的實驗室剛剛發現,鏈球菌似乎會用 Cas9 蛋白來「搗碎」突破其細胞壁的病毒。於是,道納在伯克利的實驗室,也開始探究 Cas9 蛋白的作用機制。

很快,她們意識到或許可以用 Cas9 蛋白來進行基因組編輯。基因組編輯是基因工程中的一種方法,酶是這一過程中的「分子剪刀」,可以剪切 DNA 。這種酶名叫核酸酶(nuclease),能在特定的位點切斷雙鏈 DNA。

DNA 斷裂後,細胞會對斷裂位點進行修覆。有時,細胞中一些人為導入的基因片段,會在修覆的過程中插入這些位點。

 Cas9 蛋白的「嚮導 RNA」能自動導航正確 DNA 位點,簡化基因編輯步驟

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兩位科學家在剛開始合作的時候,如果想改變或去除一個基因,最先進的方法,是設計一種能找到特定 DNA 位點並對其進行切割的酶。換句話說,每修飾一次基因,科學家都不得不設計一種新的蛋白,專門針對想要修飾的 DNA 序列。

但她們意識到,Cas9 蛋白這種鏈球菌用於免疫防衛的酶,會用 RNA 來引導自己找到目標 DNA 。為了探測作用位點,Cas9-RNA 複合物會在 DNA 上不停「掃描」直到找到正確的位點。

這一過程看似隨機,其實不然。Cas9 蛋白的每次掃描,都是在搜索同一段短小的「訊號」序列。 Cas9 會附著到 DNA 上,檢測鄰近的序列是否和充當嚮導的 RNA 匹配。這種 RNA 叫做嚮導 RNA(guide RNA,簡稱 gRNA),而只有當 gRNA 和 DNA 匹配時,Cas9 蛋白才會對 DNA 進行切割。

如果能將這套天然的 RNA 嚮導系統利用起來,研究人員在切割 DNA 位點時,就不用每次都構建一種新的酶了。基因組編輯可能會因此變得更簡單、更便宜,也更有效。

最終,她們設想:其實可以將這些 RNA 分子設計成一條 gRNA 。一套由一個蛋白質和一條 gRNA 組成的系統,就足以成為一個強大的基因修飾工具。

並且真的成功了。 2012 年 8 月 17 日,她們將 CRISPR-Cas9 的研究成果公諸於世,引起廣大迴響。

CRISPR-Cas9 基因「剪刀」出現後,科學家現在只要幾周的時間,就能更改生命周期。細菌的遺傳剪刀結構被大大簡化,因而更易於在實驗室中進行使用。

而且她們隨後還對遺傳剪刀進行了重新設計。「剪刀」在天然形式下能夠識別病毒中的 DNA,但是夏彭提耶和道納證明:可以對其進行控制,以便在預定位置切割任何 DNA 分子,包括基因組中的。

透過 CRISPR-Cas9 基因編輯,預期能治療愛滋病、阿茲海默症、精神分裂症

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一扇新的大門被推開,不僅是研究,還有商業化。CRISPR-Cas9 對遺傳學和醫學的作用堪稱「立竿見影」。

目前,研究人員正在運用該技術,探索愛滋病、阿茲海默症、精神分裂症等疾病的治療方法。該技術將生物體的基因修飾過程變得相當簡單與便宜,研究人員和倫理學家甚至開始擔心,這會催生負面效應——事實上確實也發生了。

不過也有正向的案例,比如中國科學家,利用 CRISPR-Cas9 完成了世界首例基於基因編輯幹細胞治療愛滋病和白血病的案例。

2019 年 9 月,來自北京大學-清華大學生命科學聯合中心的鄧宏魁等人,在頂級醫學期刊《新英格蘭醫學雜志》(The New England Journal of Medicine)上發表的新研究:

利用 CRISPR/Cas9 技術,科學家對人造血幹細胞進行基因編輯,基因編輯後的幹細胞在動物模型中可長期穩定重建造血系統,並且其產生的外周血細胞具有抵禦愛滋和白血病能力。

當時就有評論,這項工作初步證明了基因編輯的成體造血幹細胞移植的可行性,和在人體內的安全性,將會促進和推動基因編輯技術在臨床應用領域的發展。

除了愛滋與白血病,這項技術有潛力治癒多種複雜病症。

鄧宏魁認為,以 CRISPR 為代表的基因編輯技術在疾病的治療上具有極大的應用潛力,有望為愛滋病、鐮刀型貧血、血友病、β地中海貧血等血液系統相關疾病的治療帶來新的曙光。

總之,也可以看到 CRISPR/Cas9 的巨大力量。

中國的 CRISPR-Cas9 研究發展

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在 CRISPR-Cas9 的獲獎中,令人遺憾的是華裔科學家張鋒教授。

張鋒, 1982 年出生於河北石家莊,史丹佛大學化學及生物工程博士,是當今最為人所關注的華裔生物學家之一。他最著名的工作是基因修飾技術 CRISPR-Cas9 的發展和應用,率先獲得了美國專利,並被視為諾貝爾獎的熱門人選之一。

可以說,張鋒始終是 CRISPR 基因編輯技術的奠基人之一。但此次落選,也算意料之外,情理之中。這也不是張鋒第一次落選 CRISPR 相關獎項了。

就在 2020 年 1 月 14 日, 2020 年度的沃爾夫獎生物學獎就授予了 CRISPR 基因編輯的兩位奠基人:Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier,張鋒未能一同獲獎。而此前與 CRISPR 相關的 2015 年科學突破獎、 2016 年阿爾波特獎的世界大獎,也都是頒給了 Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier 等人,而其中並沒有包括張鋒。

之前有解釋說,雖然張鋒在 CRISPR 的應用上做出了巨大的貢獻,但是 CRISPR 的多數奠基工作都是由 Jennifer Doudna 和 Emmanulle Charpentier 完成的。

但也有人抱不平。比如 2016 年國際基因定序先驅埃里克·蘭德(Eric Lander)在國際學術期刊《細胞》(Cell)發表綜述文章,總結 CRISPR 技術的發展歷程。

就認為在張鋒利用 CRISPR 在真核細胞生物實現基因編輯之後, CRISPR 技術帶來了「暴風驟雨般的改變」。

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈诺贝尔化学奖颁给“基因编辑”,华裔科学家张锋未能一同加冕 〉;首圖來源:The Nobel Prize。)

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