基因魔剪，重写生命密码 ——解读2020年诺贝尔化学奖成果

北京时间10月7日下午5点45许，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2020年度诺贝尔化学奖授予科学家EmmanuelleCharpentier、JenniferA.Doudna，奖励她们在基因组编辑方法上的突破。

两位女科学家因发现“基因魔剪”获奖

埃玛纽埃尔·沙尔庞捷（EmmanuelleCharpentier）1968年出生在法国朱维西，被誉为“基因编辑之母”，1995年被法国巴斯德研究所授予博士学位，现已获得10项久负盛名的科学奖项，目前担任德国马普学会感染生物学研究所所长，过去20年在5个不同的国家、9所不同的大学工作过。

珍妮弗·杜德纳（JenniferA.Doudna）1964年出生于美国华盛顿，1989年毕业于美国哈佛医学院，素有“CRISPR女神”之称，目前是加州大学伯克利分校化学和分子生物学与细胞生物学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员。曾在2016年获得世界杰出女科学家成就奖。

二人共同发现了基因技术中最强大工具之一的CRISPR/Cas9基因剪刀，相关论文在2012年底发表在《科学》杂志上。这项技术又被称作“基因魔剪”，可以用来在遗传物质的任何预定位点上进行精确切割，使改变生命密码成为可能。借助这个工具，研究人员可以极其精确地修改动物、植物和微生物的DNA。

CRISPR技术——生命科学领域的革命性成果

2003年，西班牙微生物学家弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica）发现：细菌和古菌当中广泛存在一种免疫机制，可以记住之前感染过它们的病毒的基因特征，从而展开针对性的防御。

从此以后，一个新的术语开始进入了人们的视野——“规律成簇间隔短回文重复”（ClusteredRegularlyInterspacedShortPalindromicRepeats），简称CRISPR。

Charpentier和Doudna后期利用CRISPR/Cas9技术，研究发现可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。这项技术不仅对生命科学产生了革命性的影响，为开创新的癌症疗法做出了贡献，还可能使治愈遗传性疾病的梦想成为现实。

诺贝尔化学奖委员会主席ClaesGustafsson表示：“这种基因工具具有巨大的力量，它将会影响我们所有人。它不仅彻底改变了基础科学，可以创造新型作物，还能开创性新的医疗方法。”

CRISPR/Cas9其实是古代细菌为抵御病毒入侵所进化的特殊免疫系统。简单来说，病毒能把自己的基因整合进细菌，利用细菌的细胞工具复制自己的基因。而细菌为了将病毒的外来入侵基因清除，可以利用CRISPR/Cas9将病毒基因从自己的基因组上切除。

自从Charpentier和Doudna在2012年发现CRISPR/Cas9基因剪刀以来，相关的应用呈爆炸式增长。这项工具在基础研究中的许多重要发现中做出了贡献，例如，植物学研究中，植物研究人员已经能够开发抗霉菌、害虫和干旱的作物，而在医学上，新的癌症疗法的临床试验也正在进行中，治愈遗传性疾病的梦想或许在不远的未来实现。这些基因剪刀把生命科学带入了一个新时代。

基因魔剪技术在临床试验中的应用

学界普遍认为，CRISPR/Cas9可能是自上世纪70年代生物技术时代开启以来发现的最重要的基因工程技术。该技术具有搜索和替换DNA的双重功能，使研究人员通过替换碱基轻易改变DNA。此后的研究陆续证实，利用CRISPR/Cas9可以治疗小鼠的肌肉萎缩、罕见肝脏疾病，甚至使人类细胞具有免疫HIV等惊人功能。今年获奖的CRISPR基因编辑技术目前主要应用于真核生物包括人、小鼠及植物或农作物上进行定点基因编辑，实现基因改变以改善人类生活。

如今，基因剪刀技术已经在不少临床试验中得以应用，比如癌症的免疫治疗中，研究人员会用该技术将免疫细胞中免疫抑制或免疫负调控的因子去除，比如敲除免疫细胞T细胞中的PD-1基因，增强T细胞的杀伤能力，达到免疫治疗的效果。

单基因遗传病方面，像Leber氏先天黑蒙病、地中海贫血等单基因遗传病，可以通过定点纠正原有的单基因突变，高效、准确地治疗这类病。此外，也能利用这项技术高效地改良农作物，提高抗旱能力，或提高营养品质，增添花卉水果颜色，还可以使蘑菇和马铃薯的氧化减弱，产生类似“保鲜”的效果。

与前些年广泛应用的转基因技术相比，这项基因编辑技术更高效便捷。基因编辑基本不需要把额外的基因诱导进去内源基因组，只需要在基因组内部定点进行调控、改变，就能够实现基因变化。

基因编辑是转基因之后人类找到的又一种基因工程技术手段，它在本质上与转基因并无不同，都是在分子水平上改变生物的遗传特性，两者在技术上各有长短；但因基因编辑不涉及外来基因，在公众层面更易被接受。可以预期，未来在合成生物、育种技术等领域，将形成转基因与基因编辑两种技术交相辉映的格局。

基因编辑因魔剪问世迅速发展

基因魔剪自诞生之时就被公认为诺奖级成果，获奖是迟早的事。但由于诺贝尔奖颁奖通常要经过长时间验证，一项研究十几年甚至三四十年才获奖是家常便饭。CRISPR/Cas9技术问世不到8年就获奖，还是超出了很多人的预期。不过，这也从侧面印证了该技术的巨大影响和应用潜力。

2015至2019年间，与CRISPR/Cas9技术相关的论文超过6500篇。这种火爆也带动了生命健康产业。有市场研究机构预测，全球基因编辑的市场规模将从2017年的31.9亿美元增长到2022年的62.8亿美元，全球基因编辑相关公司融资额度预计将持续高涨。

与此同时，在疾病领域方面，基因治疗的“触角”已由最初的单基因遗传性疾病延伸至肿瘤、镰刀贫血症、血友病、心血管系统疾病以及代谢性疾病等更广泛的领域。据媒体报道，今年3月，一名遗传失明症患者成为接受CRISPR-Cas9基因疗法直接人体试验的第一人。

虽然与此前的一些基因编辑手段相比，CRISPR/Cas9的成本低、便捷、高效且不受物种限制，但包括此次获奖者珍妮弗·杜德纳在内的专家曾表达担忧称，该技术存在不可预测和不可控的脱靶风险，而且有可能带来基因改造相关的伦理问题。

「高深」的诺贝尔化学奖，改变了每个普通人的生活

除了莫言和屠呦呦，其他诺贝尔奖得主你可能都没什么印象。

但诺贝尔化学奖，可能是离我们日常生活最近的一个奖项了。

百年前，化学家阿尔弗雷德·诺贝尔立下遗嘱，设立诺贝尔奖。他一生有355项专利发明，从最初的炸药到电化学、光学、生物学、生理学等等，在他推动工业进程的多项成就中，大部分都是建立在化学知识的基础上发展壮大。

自1901年以来，诺贝尔化学奖共颁发了112次，共有186人次获得此项殊荣。

美国斯坦福大学结构生物学教授罗杰·科恩伯格认为：化学是所有科学的女王（queenofallsciences）。

今年也不例外，虽然是化学奖，但卡彭蒂耶和杜德纳在生命科学上的突破，将为我们未来的疾病治愈带来更多探索空间。

科学本来就无界。当代科学正朝着交叉融合的方向发展，这也恰好证明了化学的包容之处。

我们身处的世界中，大量的复杂化学反应正在发生，我们日益更好的生活，背后可能也是化学家们苦苦探索，付出一生才能得到的回报。

今年诺贝尔奖颁给了什么研究成果，明年可能就不会有人再提起，但研究它们的科学家，值得被每个人铭记在心。