拿到诺贝尔奖的“基因剪刀”:重写人类生命编码的工具

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专题:2020年诺贝尔奖

2020诺贝尔化学奖揭晓!“基因剪刀”编辑方法获奖

新浪科技讯北京时间2020年10月7日,诺贝尔化学奖授予了伊曼纽尔夏彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier)和珍妮弗杜德(Jennifer Doudna),他们开发了基因技术中最犀利的工具之一:CRISPR/Cas9基因编辑技术。这项技术也被称为“基因剪刀”。利用这项技术,研究人员可以非常精确地改变动物、植物和微生物的DNA。这项技术对生命科学产生了革命性的影响,可以帮助研究人员开发新的癌症疗法,实现治愈遗传疾病的梦想。

科学的吸引力之一在于它的不可预测性。你永远无法提前知道一个想法或问题会把你带到哪里。对于一个好奇的人来说,有时会遇到死胡同,有时会遇到充满障碍的迷宫,需要数年才能完成。然而,正是通过反复的探索,我们才能看到无限的可能性。

CRISPR-Cas9基因编辑技术就是这样一个意想不到的发现,潜力惊人。当伊曼纽尔夏彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier)和珍妮弗杜德(Jennifer Doudna)开始研究链球菌的免疫系统时,他们的一个想法是,他们可能会开发出一种新的抗生素。然而,最终,他们发现了一种分子工具,可以精确地切割遗传物质,并使修改生命密码成为可能。

影响重大的分子工具

仅在发现八年后,这些“基因剪刀”就重塑了生命科学。有了这项技术,生物化学家和细胞生物学家现在可以很容易地研究不同基因的功能及其在疾病发展中的可能作用。

在植物育种中,研究人员可以赋予植物特殊的性状,如在温暖的气候下抵抗干旱的能力。在医学上,这位基因编辑正致力于新癌症疗法的研究和治愈遗传疾病的最早尝试。CRISPR-Cas9的潜力几乎是无穷无尽的,但也包含了一些不道德的应用。和所有强大的技术一样,这些“基因剪刀”也是需要管理的,后面会详细描述。

2011年,伊曼纽尔夏彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier)和珍妮弗杜德(Jennifer Doudna)都不知道他们在波多黎各咖啡馆的第一次见面将如何改变他们的生活。我们的介绍将从最初提议合作的夏彭蒂埃开始。

Charpentier对致病菌的兴趣

在一些人眼里,艾曼纽莱赫帕彭蒂尔热情、细心、投入。还有人说Charpentier总是在寻找意想不到的东西。就她而言,她引用路易斯巴斯德的话说,“机会青睐那些有准备的人”。她对新发现的渴望和对自由和独立的渴望主导了她的研究道路,包括她在巴黎巴斯德研究所的博士研究。她还生活在5个国家的7个城市,在10个不同的机构工作。

虽然环境和研究方法都变了,但她的大部分研究都有一个共同点:致病菌。为什么这些微生物如此具有攻击性?他们是如何产生抗生素耐药性的?有可能找到新的治疗方法来阻止它们吗?

2002年,当伊曼纽尔夏彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier)在维也纳大学成立自己的研究小组时,她专注于一种最有害的细菌:化脓性链球菌。每年,这种病原体感染数百万人,通常会导致一些容易治疗的感染症状,如扁桃体炎和脓疱炎。但也会导致危及生命的败血症,破坏体内软组织,所以也叫“食肉者”。

为了更好的了解化脓性链球菌,Charpentier开始研究这种细菌的基因是如何调控的。这一决定是发现“基因剪刀”的第一步,当我们继续沿着这条路走下去,我们会对珍妮弗杜德(Jennifer Doudna)有更多的了解。因为在Charpentier仔细研究化脓性链球菌的时候,Doudna第一次听到了一个缩写,听起来像“脆”。

侦探小说般的科学故事

作为一个在夏威夷长大的孩子,詹妮弗杜德有着强烈的求知欲。一天,她的父亲把詹姆斯沃森的书《双螺旋》(《双螺旋》)放在她的床边。这是一个关于詹姆斯沃森和弗朗西斯克里克如何解决DNA分子结构的故事,和侦探小说一样有趣,和她在学校课本上读到的完全不同。她被科学探索的过程所吸引,意识到科学不仅仅是事实。

然而,当Doudna开始尝试解决科学难题时,她的注意力并不在dna上,而是在另一种遗传分子:RNA上。2006年,她在加州大学伯克利分校领导了一个研究小组,在RNA研究方面有20年的经验。她是一名成功的研究员,以擅长突破性研究项目而闻名。后来,她进入了一个令人兴奋的新领域:RNA干扰。

多年来,研究人员认为他们对RNA的基本功能有了很好的了解,但突然,他们发现许多小RNA分子有助于调节细胞中的基因活动。2006年,Jennifer Doudna接到一个同事的电话,因为她对RNA干扰的研究。

携带古老免疫系统的细菌

微生物学家的同事告诉Doudna一项新发现:研究人员比较了不同细菌和古细菌的遗传物质,发现了一种保存完好的重复dna序列。同样的基因片段一遍又一遍的出现,但是在重复的过程中,一些独特的序列发生了变化(图2),就像一本书里每一个独特的句子里都重复着同一个单词一样。

这些重复序列的排列被称为“簇状规则间隔的短回文重复序列”,缩写为CRISPR。有趣的是,CRISPR中独特的非重复序列似乎与许多病毒的遗传密码相匹配。所以现在的观点是,它是一个古老免疫系统的一部分,可以保护细菌和古细菌免受病毒的侵害。科学家们假设,如果一种细菌成功地从病毒感染中存活下来,它会在其基因组中添加一个病毒遗传密码,作为感染的“记忆”。

据Doudna的同事说,没有人知道这一切是如何工作的,但推测细菌用来中和病毒的机制可能与Doudna的研究类似:RNA干扰。

Doudna描绘的复杂机制

这个消息很振奋人心。如果细菌确实有古老的免疫系统,那就意味着意义重大。Jennifer Doudna对分子生物学产生了兴趣,开始了解CRISPR系统的一切。

后来,研究人员在CRISPR序列之外发现了一种特殊的基因,他们称之为“CRISPR相关基因”(简称cas)。从Doudna的角度来看,有趣的是,这些基因与已知的编码专门用于解锁和切割dna的蛋白质的基因非常相似。那么,Cas蛋白是否具有同样的功能呢?他们能切割病毒DNA吗?

Doudna要求她的研究团队开始这项工作。几年后,他们成功地揭示了各种Cas蛋白的功能。与此同时,其他大学的一些研究小组也在研究新发现的CRISPR/Cas系统。他们的研究结果表明,细菌的免疫系统可以采取非常不同的形式。Doudna研究的CRISPR/Cas系统属于第一类。这是一个复杂的机制,需要许多不同的Cas蛋白来解除病毒。第二个系统非常简单,因为它需要更少的蛋白质。在世界的另一个地方,伊曼纽尔夏彭蒂尔刚刚发现了这样一个系统。让我们回到她的故事线。

CRISPR系统谜题中新的未知部分

2009年,伊曼纽尔夏彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier)离开维也纳,在瑞典北部的虎门大学(Humeor University)找到了一份工作,获得了一个很好的研究机会。有人告诉她,这个地方太偏僻了,但是漫长而黑暗的冬天给了她足够的安宁,让她可以心无旁骛地做研究工作。

Charpentier也对能调节基因的小RNA分子感兴趣。她与柏林的研究人员合作,绘制化脓性链球菌的小核糖核酸序列。这个结果让她想了很多,因为这种细菌中大量的小RNA分子都是未知的变异体,而且这种RNA的遗传密码与细菌基因组中特殊的CRISPR序列非常接近。

他们之间的相似性使Charpentier怀疑他们之间有联系。她仔细分析了他们的遗传密码,发现一部分未知的小RNA分子与CRISPR的重复部分相匹配。就像两个拼图可以完美拼接在一起一样(图2)。

Charpentier从未使用过CRISPR,但她的研究团队开始做一些深入的微生物检测工作,对化脓性链球菌的CRISPR系统进行作图。这个系统属于第二类,已知只需要一个Cas蛋白“Cas9”就可以裂解病毒DNA。Charpentier发现被称为“反向激活的CRISPR RNA”(TRAC rRNA)的未知RNA分子也起到了决定性作用。基因组中CRISPR序列产生的长RNA转化为活性形式时,必须使用TracrRNA(见图)。

2011年3月,Emmanuelle Charpentier在tracrRNA上发表了她的发现。她知道自己正在做一件非常激动人心的事情。她有多年的微生物学经验,也希望能和一位生物化学家合作,继续研究CRISPR-Cas9系统。珍妮弗杜德(Jennifer Doudna)是自然选择。所以那年春天,当夏彭蒂尔被邀请去波多黎各的一个会议上讲述她的发现时,她的目标之一是会见加州大学伯克利分校的研究员。

波多黎各咖啡馆里改变一生的会面

巧的是,见面的第二天,他们又在一家咖啡馆见面了。Doudna的同事介绍他们认识。第二天,夏彭蒂尔提议一起探索首都的老城区。当他们沿着鹅卵石街道行走时,他们开始交流他们的研究。Charpentier想知道Doudna是否有合作意向。——是否愿意参与化脓性链球菌简单2类系统中Cas9功能的研究?

詹妮弗杜德对此非常感兴趣,然后他们和他们的同事通过数字会议为这个项目制定了一个计划。他们怀疑识别病毒DNA需要CRISPR-RNA,Cas9是切割DNA分子的剪刀。然而,当他们在试管中测试时,什么也没发生。

DNA分子保持完整。为什么?实验条件有问题吗?还是Cas9的功能完全不同?经过大量的头脑风暴和无数次失败的实验,研究人员最终在他们的测试中加入了tracrRNA。以前,他们认为只有当CRISPRRNA被切割成活性形式时才需要tracrRNA(图2)。但是,一旦Cas9与tracrRNA接触,就出现了预期的结果:DNA分子被切成两部分。

进化的解决方案经常让研究人员大吃一惊,但这一次它们更加不同寻常。链球菌对抗病毒的武器就是这么简单,有效,甚至优秀。基因剪刀的历史可能到此为止;然而,Charpentier和Doudna在一种给人类带来巨大麻烦的细菌中发现了一种基本机制。这一发现本身令人惊讶,但机遇总是青睐有准备的人。

划时代的实验

研究人员决定尝试简化基因剪刀。基于他们对tracrRNA和CRISPR-RNA的新知识,他们找到了一种将它们合成为一个分子的方法,这种分子被称为“导向RNA”。在这个简化的基因剪刀变体的帮助下,他们接着做了一个划时代的实验:他们想弄清楚能否控制这个基因工具在研究人员自己指定的位置切割DNA。

这时,研究人员知道他们即将实现一项重大突破。他们从Doudna的实验室冰箱中取出一个基因,并选择五个不同的位置进行切割。然后,他们改变了基因剪刀的CRISPR部分,使其代码与要切割的位置相匹配(图3)。实验的结果令人兴奋。DNA分子在精确的位置被精确切割。

CRISPR/Cas9基因剪刀

当研究人员打算用基因剪刀编辑基因组时,他们首先构建一个指导RNA,它与要切割的DNA代码相匹配。剪刀蛋白Cas9与导向RNA形成复合物,然后剪刀被带到基因组中需要切割的位置。

答:研究人员可以让细胞自己修复脱氧核糖核酸的切割。在大多数情况下,这将导致基因的功能关闭。

B:如果研究人员想插入、修复或编辑一个基因,他们可以为此设计一个小的DNA模板。当细胞修复基因组中的切口时,它们会使用这个模板,从而改变基因组中的编码。

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