诺贝尔化学奖授予从事基因编辑的两位女科学家!一文详解这项划时代的生物技术_快三微信群
诺贝尔化学奖授予从事基因编辑的两位女科学家!一文详解这项划时代的生物技术
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[摘要]CRISPR-Cas9 基因编辑系统是本世纪最为重要的生物发现之一。这项在2015年被《科学》杂志评为“年度科学突破”的新兴技术,正在开创一个全新的时代。

诺贝尔化学奖授予从事基因编辑的两位女科学家!一文详解这项划时代的生物技术

刚刚,2020年诺贝尔化学奖揭晓。法国生物化学家埃马纽埃尔·沙尔庞捷(Emmanuelle Charpentier)、美国生物学家詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)因对新一代基因编辑技术CRISPR的贡献,摘得今年的奖项。

诺贝尔化学奖授予从事基因编辑的两位女科学家!一文详解这项划时代的生物技术

左图为沙尔庞捷,右图为杜德纳

埃马纽埃尔·沙尔庞捷生于1968年,现任马克思·普朗克生物感染研究所主任,同时是瑞典于默奥大学的访问教授。詹妮弗·杜德纳生于1964年,现任加州大学伯克利分校化学及化学工程系教授。

2011年,杜德纳开始与沙尔庞捷合作发展CRISPR技术。一年后,两位女生物学家在《科学》杂志发表论文并首次指出,CRISPR-Cas9系统在体外实验中能“定点”对DNA进行切割,显著提升了基因编辑的效率,为该领域的发展奠定了基础。两位科学家被《时代》周刊评为2015年全球最具影响力100人,并收获了包括生命科学突破奖在内的多项生命科学大奖。

CRISPR-Cas9 基因编辑系统是本世纪最为重要的生物发现之一。2015年,《科学》将它评为年度突破;助力这项技术诞生的科学家们也先后获得了有“科学界奥斯卡”之称的“突破奖”(Breakthrough Prize),在分子生物学界影响深远的“格鲁伯遗传学奖”(Gruber Genetics Prize),以及表彰重大生物医学突破的“沃伦·阿尔珀特奖”(Warren Alpert Prize)。

在2014年12月的《环球科学》中,《编辑基因:更快、更准、更简单》一文就对这项技术的作用机制、发展历程及前景展开详细介绍。虽然争议尚存,但毫无疑问,这项在2015年被《科学》杂志评为“年度科学突破”的新兴技术,正在开创一个全新的时代。

撰文?玛格丽特·诺克斯(Margaret Knox)

翻译?马文静

1973年,斯坦利·N·科恩(Stanley N. Cohen)和赫伯特·W·博耶(Herbert W. Boyer)找到了改变生物体基因组的方法,成功将蛙的DNA插入到细菌中。20世纪70年代末,博耶的基因泰克(Genetech)公司对大肠杆菌进行基因改造,使其带有一个人源基因(这个基因是人工合成的),最后生产出治疗糖尿病的胰岛素。很快,加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的科学家培育出了第一只转基因小鼠。

基因工程领域取得的这些巨大成就改变了现代医学的进程。但是,早期的基因改造方法有两大局限:不甚精确,并且难以量产。那时,DNA插入基因组的行为是随机的,科学家只能祈求好运,但愿自己能得到一个有用的突变。1990年,研究人员取得了跨越式的进步。他们设计出能在特定位点对DNA进行剪切的蛋白,突破了第一个局限。但是,每想要修改一段DNA序列,他们都必须设计一个新的蛋白,这种工作非常耗时,并且十分艰苦。

时间终于到了2012年。瑞典于默奥大学(Ume? University)的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和加利福尼亚大学伯克利分校的珍妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)领导的研究人员报道,他们在细胞中发现了一种遗传机制,能让科学家以前所未有的速度编辑基因组,并且过程十分简单。此后不久,哈佛大学和麻省理工大学的一个课题组运用这种技术,一次性地对细胞基因组的多个位点进行了修改。

这种先进的技术已经加快了基因工程产业的发展,对遗传学和医学也有深远的推动作用。科学家现在只要几周时间,就能按需定制出经过基因改造的实验动物,省去了从前一年的工作量与时间。目前,研究人员正在运用该技术,探索艾滋病、阿尔茨海默病、精神分裂症等疾病的治疗方法。该技术将生物体的基因修饰过程变得相当简单与廉价,研究人员和伦理学家甚至开始担心,这会催生负面效应。

这种技术名叫CRISPR,是“clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats”(即成簇、规律间隔的短回文重复序列)的缩写。利用这种序列,细菌可以对侵袭过它的病毒产生“记忆”。自从日本科学家20世纪80年代末发现CRISPR之后,科学家就一直在研究这种奇怪的基因序列。然而,直到杜德娜和卡彭蒂耶偶然注意到一种名叫Cas9的蛋白,CRISPR才显示出它作为基因组编辑工具的巨大潜力。

RNA的力量

2011年,杜德娜和卡彭蒂耶在波多黎各圣胡安的一次科学会议上相识。他们有很多共同点:他们的团队都在研究细菌防御病毒入侵的机制;他们都已经确认,细菌可以记住以前入侵过自己的病毒的DNA,以此来识别病毒,当该病毒再次入侵时,它们就会立刻认出“敌人”。

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