Jennifer a . Doudna和Emmanuelle Charpentier在一起合影

Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier因发现改变游戏规则的基因编辑技术而共同获得2020年诺贝尔化学奖。图源:亚历山大·海内尔/图片联盟/DPA

CRISPR。两位开创了革命性基因编辑技术的科学家获得了今年的诺贝尔化学奖。

诺贝尔委员会的评选Emmanuelle贝纳他目前在柏林的马克斯·普朗克病原体科学研究所工作詹妮弗Doudna多年来，人们一直在猜测谁将因开发人工智能而获得诺贝尔奖CRISPR-Cas9基因编辑工具．这项技术可以对基因组进行精确编辑，自2010年代问世以来，已经席卷了世界各地的实验室。它有无数的应用:研究人员希望用它来改变人类基因以消除疾病;培育更耐寒的植物;消灭病原体等等。

“在你想要的地方切割DNA的能力已经彻底改变了生命科学，”诺贝尔化学委员会成员、生物物理化学家Pernilla Wittung Stafshede在颁奖典礼上说。“‘基因剪刀’在8年前才被发现，但已经给人类带来了巨大的好处。”

Doudna和Charpentier和他们的同事在早期对该系统进行了关键的描述，但其他几位研究人员也被引用，并在其他备受关注的奖项中得到认可，作为CRISPR发展的关键贡献者。他们包括麻省理工学院布罗德研究所和马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的张锋，马萨诸塞州波士顿市哈佛医学院的乔治·丘奇，以及生物化学家立陶宛维尔纽斯大学的Virginijus Siksnys(参见“CRISPR的众多先驱”)。

杜德纳“真的睡得很熟”，手机嗡嗡响吵醒了她，她接了一个电话自然记者，是谁爆料的。杜德纳说:“我在夏威夷的一个小镇上长大，我从来没有想过会发生这种事。”“我真的很震惊，我完全震惊了。”

杜德纳说:“我知道有那么多优秀的科学家永远不会收到这个奖，原因与他们是优秀的科学家这一事实无关。”“我真的有点受宠若惊。”

源自细菌

CRISPR是聚簇规则间隔短回文重复序列的缩写，是一种微生物“免疫系统”，原核生物——细菌和古细菌——利用它来防止被噬菌体病毒感染。在其核心，CRISPR系统使原核生物能够识别与噬菌体或其他入侵者匹配的精确基因序列，并使用专门的酶对这些序列进行破坏。

之前的工作已经确定了这些酶，称为crispr相关蛋白(Cas)，其中包括一种称为Cas9的酶。但Charpentier首先在维也纳大学工作，后来在瑞典的Umeå微生物研究中心工作，在细菌中发现了CRISPR系统的另一个关键组成部分，一种参与识别噬菌体序列的RNA分子酿脓链球菌这种细菌会导致人类疾病。

夏彭迪埃在2011年报告了这一发现，并在那一年与杜德纳合作。在一个里程碑2012年论文科学1他们分离了CRISPR-Cas9系统的组成部分，使其在试管中发挥作用，并表明该系统可以被编程以切割分离DNA中的特定位点。他们的可编程基因编辑系统在医学、农业和基础科学领域引发了无数应用的淘金热，而且工作仍在继续调整和改进CRISPR，并识别其他基因编辑工具．

苏黎世大学的生物化学家马丁·吉内克(Martin Jinek)说:“我们希望能够真正将其转化为一种重写细胞和生物体遗传密码的技术。”他是杜德纳实验室的博士后，也是该关键研究的共同第一作者科学纸。“我们没有意识到的是，这项技术很快就会被该领域的其他人采用，然后得到推广。”

CRISPR有很多先驱

没有弗朗西斯科·莫希卡，就没有CRISPR。西班牙阿利坎特大学的微生物学家帮助为该系统命名。1993年，莫希卡在太古菌的基因组中发现了特殊的重复DNA序列Haloferax．他后来证明，类似的序列在原核生物中广泛存在，并与噬菌体(感染细菌的病毒)的遗传物质相匹配。

2005年，Mojica假设这些序列是微生物免疫系统的一部分。Mojica和荷兰乌得勒支大学的Ruud Jansen一起提出了现在获得诺贝尔奖的首字母缩写词:CRISPR，是聚集规律间隔短回文重复的缩写。由于他在CRISPR方面的工作，Mojica在2017年与纽约市洛克菲勒大学的Charpentier、Doudna、Feng Zhang和Luciano Marraffini分享了50万美元的奥尔巴尼医学中心医学奖。

杜德纳和夏彭蒂埃并不是唯一意识到CRISPR系统可以被编程来切割其他DNA片段的科学家。2012年，大约在两人发表了他们的实验，表明CRISPR-Cas9系统可以切割分离的DNA的时候，立陶宛维尔纽斯大学的生物化学家Virginijus Šikšnys领导的团队展示了Cas9酶如何被指示切割预定义的DNA序列。在2018年,Šikšnys分享了Kavli奖与杜德纳和夏彭蒂埃一起学习纳米科学。

诺贝尔奖委员会决定不让章莹颖获奖是最大的意外之一。这位遗传学家通常被称为最有可能因CRISPR而获得诺贝尔奖的三人，另外三人是夏彭捷和杜德纳。张的团队，在一个2013年初科学论文他修改了CRISPR-Cas9系统，对人类和小鼠细胞进行精确的基因组切割。丘奇的团队描述道切割人类细胞DNA的工作大约在同一时间。

韩国大田基础科学研究所的基因组工程师Jin-Soo Kim是第一批将CRISPR应用于各种不同细胞的基因组编辑的人之一，他说，尽管他对诺贝尔奖的宣布感到兴奋，但他对盐湖城犹他大学的生物化学家Dana Carroll被忽视感到惊讶。卡罗尔开发了部署其他酶(称为锌指核酸酶)来编辑基因组的方法，远远早于CRISPR的时代。

尽管CRISPR比锌指核酸酶更容易使用，Kim说他认为Carroll是基因组编辑领域的创始人。“毫无疑问，杜德纳和夏彭迪埃应该得到认可，”他说。“但如果没有通过锌指核酸酶进行基因组编辑的演示，没有多少人能想象到CRISPR-Cas9用于基因组编辑。”

竞相商业化

在不到十年的时间里，研究人员利用CRISPR-Cas9开发了genome-edited作物昆虫，遗传模型和实验性人体疗法．临床试验正在进行中，使用该技术治疗镰状细胞贫血症，遗传性失明和癌症。Doudna、Charpentier和该领域的其他人已经成立了一代生物技术公司，旨在开发实现这些目标的技术。

但这项技术也引发了争议，尤其是它在人类细胞上的初步应用。2018年11月，中国生物物理学家贺建奎宣布双胞胎女孩出生来自他和同事使用CRISPR-Cas9编辑的胚胎。这个消息引发了强烈抗议编辑胚胎引发了一系列伦理、社会和安全问题，世界各地的许多研究人员迅速谴责了贺建奎的工作。

今年9月，由美国和英国主要科学学会召集的一个国际小组再次得出结论，认为这项技术还没有准备好用于注定要着床的人类胚胎．

这项工作引发了一场激烈的专利战-主要是在布罗德研究所和加州大学伯克利分校之间-直到今天，他们还在争论谁拥有CRISPR-Cas9基因组编辑的利润丰厚的知识产权。

不过，丘奇同意该奖项的分配方式。丘奇说，尽管他对自己实验室和张晓明实验室的工作感到自豪——这些工作使该系统适用于哺乳动物细胞，为建模和治疗人类疾病打开了大门——但他说，这项工作可以被归类为工程和发明，而不是科学发现。“我认为这是一个很好的选择，”他说。

遗传学家、位于马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)院长弗朗西斯•柯林斯(Francis Collins)表示，要选出一项发现获奖总是很困难。他说:“几乎没有什么东西是凭空冒出来的。”“当你看到任何发现时，都很难决定选择谁。”

但他补充说，CRISPR-Cas9基因组编辑的一个独特之处在于该技术的易用性和多功能性。柯林斯说:“CRISPR-Cas技术使这一点更容易被接受。”“据我所知，没有一个分子生物学实验室没有开始使用CRISPR-Cas。”