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诺奖风向标!CRISPR基因编辑技术两大女神获2020沃尔夫医学奖

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 Emma Chou • 2020-01-14 12:05:55 来源:前瞻网 E1627G0

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图片来源:视频截图/左为Emmanuelle Charpentier,右为Jennifer Doudna

周一,两位现代基因编辑技术的先驱获得了以色列2020年沃尔夫医学奖,这是一个著名的国际奖项,颁发给对人类做出独特贡献的人。

沃尔夫基金会表示,2020年沃尔夫医学奖授予詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)和艾曼纽埃尔·查彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier),表彰两人在开发基因编辑工具CRISPR方面所做的贡献。

詹妮弗·杜德纳现为加州大学伯克利分校分子和细胞生物学及化学教授,以及霍华德·休斯医学研究所的研究员,她与同事、德国柏林马克斯·普朗克感染生物学研究所所长埃马努埃尔·查彭蒂尔分享了这个奖项,因为他们在2012年发明了CRISPR-Cas9基因编辑技术。

根据沃尔夫基金会的一份声明,杜德纳因“通过RNA引导的基因组编辑揭示了细菌免疫的医学革命机制”而受到称赞。“这项革命性的技术有可能根除以前无法治愈的疾病,并彻底改变遗传学、分子生物学和医学领域。”

沃尔夫基金会表示,她们的研究有可能“为发现治疗当前不治之症的新方法铺平道路,从而使医学产生革命性的变化”。

基因编辑是一种永久改变DNA的方法,可以从根源上解决基因疾病。它还可以广泛用于其他用途——从攻击蚊子身上的疟疾到培育更耐寒的作物。

CRISPR是一种工具,它能在活细胞内精确地找到一段DNA,并将其切片,使科学家能够打开或关闭基因,修复或替换它们。长期以来,它一直被用于实验室,并在治疗癌症和其他疾病的早期测试中。

基金会表示,杜德纳还因其对围绕这项技术的使用所做的道德论述而受到表彰。

长期以来,沃尔夫奖被认为是诺贝尔奖的风向标之一。约有36位沃尔夫奖得主获得了诺贝尔奖。沃尔夫基金会每年以10万美元的奖金奖励5个领域的艺术家和科学家,以表彰他们“为人类利益和各国人民友好关系做出的贡献”。

5个领域的类别包括农业、建筑、化学、数学、医学、音乐、绘画、物理和雕塑。

今年的其他获奖者包括数学奖的Yacov Eliashberg和Simon Donaldson;物理学奖的Pablo Jarillo-Herrero、Allan Macdonald和Rafi Bistritzer;艺术奖的Cindy Sherman和农业奖的Caroline Dean。

之前的获奖者包括史蒂芬·霍金、马克·夏加尔(绘画)和保罗·麦卡特尼(音乐)。杂交水稻支付袁隆平曾获2004年度的沃尔夫农业奖。

今年的获奖者将于6月11日在耶路撒冷颁奖。

自1978年以来,沃尔夫奖每年都颁发给那些为人类和人民的友谊做出独特贡献的著名科学家和艺术家,无论他们的宗教、性别、种族、地理位置或政治立场如何。

两朵铿锵玫瑰

现代生物技术始于20世纪70年代初,当时研究人员首次开始切割和拼接生物的DNA,赋予它们令人满意的新基因特征。从那以后,生物技术专家取得了许多胜利,但这一成功来之不易。与科学家和企业家的雄心相比,基因工程通常成本高昂,执行缓慢,结果不确定,在某些生物体上不实用。

与此同时,自然界中最简单的生物悄悄地守护着一种编辑基因组的优越方式,这种方式是它们在数亿年前作为防御手段首次进化出来的。这个秘密的发现就是一种通常被称为CRISPR的令人眼花缭乱的高级基因组工程方法,在不到十年的时间里让生命科学为之振奋,并要求科学界明智地使用它。

但关键的突破出现在2012年,当时由詹妮弗•杜德纳和艾曼纽埃尔•查彭蒂尔领导的来自美国和欧洲的团队展示了如何将防御系统变成编辑基因序列的“剪切和粘贴”工具。然而,另一个美国团队击败了她们,获得了在人体细胞上使用这种方法的专利,引发了一场关于优先权的法律纠纷——在2017年2月,美国专利局裁定杜德纳和查彭蒂尔无效。尽管如此,她们两人仍然被同行科学家普遍认为是CRISPR的真正先驱。

艾曼纽埃尔•查彭蒂尔1968年出生在巴黎郊外,父母一直鼓励她从事各种学术和艺术活动。她和母亲一样对心理学感兴趣,但也喜欢哲学、数学,尤其是医学,早年就立誓要为人民的医疗健康作出贡献。

1986年至1992年,查彭蒂尔在巴黎皮埃尔和玛丽居里大学(UPMC)攻读微生物学、遗传学和生物化学的本科学位。研究人员的生活很适合她,科学培养了她对大自然秘密的好奇心,她喜欢作为团队的一员工作。随后她继续深造,在巴斯德研究所(1992-1995年)和UPMC(1993-1995年)进行研究生工作,期间她研究了抗生素耐药性的分子机制。这也引导她进行了相关的研究,研究细菌在感染宿主的过程中如何与周围环境相互作用。

“在我的职业生涯中,我一直在开发工具来提高遗传学研究的准确性,无论是在细菌还是老鼠身上。” 查彭蒂尔解释说。

博士后期间,查彭蒂尔先后在巴斯德研究所(1995-1996年)、洛克菲勒大学(1996-1997年)、纽约大学兰贡医学中心(1997-1999年)、圣犹达儿童研究医院(1999年)和斯科波生物分子医学研究所(1999-2002年)工作。

之后,查彭蒂尔回到欧洲,担任维也纳大学微生物与遗传学研究所实验室的负责人。查彭蒂尔一直致力于研究细菌有时是如何利用小RNA分子来调节其基因表达的。在维也纳,这种兴趣让她想到了一些新发现,它们都是关于许多细菌(以及其他名为古生菌(archaea)的古代细胞)基因组的一个特殊特征:奇怪的重复核苷酸序列簇,中间穿插着一些短的间隔,似乎是从病毒那里偷来的DNA。细菌遗传学家称之为CRISPR。

微生物学家在21世纪初提出的假设是,CRISPR是一种类似于细菌免疫系统的东西,可以保护它们不受自己(或它们的祖先)接触过的病毒的侵害。对于细菌来说,CRISPR就像一面墙上张贴着已知的病毒威胁的通缉令。

但是,当查彭蒂尔第一次开始思考时,CRISPR如何实现这种防御的细节还是一个谜。查彭蒂尔和她的同事们悄悄地开始研究这个问题。她们发现了与CRISPR相关的特定小RNA分子,它们与一种称为Cas9的DNA切割酶相互作用。查彭蒂尔怀疑这些RNAs,包括病毒基因序列的片段,引导Cas9到达病毒DNA中的目标,并允许它摧毁感染细胞的病毒。这个概念是非正统的,因为迄今为止,只有由RNA引导的蛋白质复合物才能在细胞中执行这种DNA靶向功能。

查彭蒂尔在2009年搬到瑞典于默奥大学后完成了进一步的实验,为她大胆的想法提供了重要的证据。她指出,当含有病毒序列的CRISPR RNA被转录时,它通过与另一段RNA(称为tracrRNA)形成双链并与Cas9结合而成熟。由此产生的复合物似乎具备了阻止病毒攻击所需的一切条件。查彭蒂尔在2010年的一次会议上首次提出了她的发现,然后在2011年的《自然》杂志上发表了更正式的论文。

查彭蒂尔很清楚,如果CRISPR-Cas9系统能够如此快速有效地定位细胞中的DNA目标,那么它作为基因工程工具的潜力是巨大的。然而,为了实现这种可能性,她需要对系统如何工作有更详细的、结构性的理解。

几个月后,查彭蒂尔在波多黎各参加了一个会议,并遇到了著名的结构生物学家、加州大学伯克利分校霍华德·休斯医学研究所研究员詹妮弗•杜德纳,这时,她所需的专业知识出现了。杜德纳多年来也一直在研究CRISPR系统中的RNA。与查彭蒂尔不同的是,杜德纳在夏威夷大岛上长大,一直被周围大自然的多样性和适应性所吸引。

在波莫纳学院,杜德纳学习生物化学。1985年,她与杰克·绍斯塔克(Jack Szostak)一起在哈佛大学完成了研究生阶段的工作。绍斯塔克是研究具有正确化学性质的早期RNA分子如何引发生命进化的先驱。在他的生物化学实验室里,杜德纳可以专注于开发新的核糖酶——具有催化化学性质的RNA分子,如酶蛋白。

1991年,杜德纳前往位于博尔德的科罗拉多大学和托马斯•切赫(Thomas Cech)的实验室。切赫因发现核糖酶而获得了诺贝尔奖。在那里,杜德纳开始研究一种特殊的核酶的晶体化和三维结构(当时,科学家只知道另一种RNA分子的折叠结构)。

1994年加入耶鲁大学后,杜德纳继续这个项目,并最终在1996年成功。这次经历更坚定了杜德纳的信念,即RNA结构的了解对理解其功能至关重要。2000年,杜德纳有机会在加州大学伯克利分校拥有自己的实验室,她接受了这份邀请,部分原因是她可以更方便地使用劳伦斯伯克利国家实验室的同步加速器x射线源,这将有助于结晶研究。

在伯克利,杜德纳将注意力转向了CRISPR-Cas系统,她对许多与查彭蒂尔相同的问题产生了兴趣。终于在2011年,杜德纳在波多黎各的一次会议上遇到了查彭蒂尔,两人一见如故,也认识到对方为CRISPR-Cas研究带来的互补优势。尽管两人实验室——杜德纳在西海岸,查彭蒂尔在维也纳——隔了大西洋,但仍挡不住强烈的合作意愿。

很快,两人共同努力的成果出来了, 2012年8月发表在《科学》杂志上的一篇史诗般的论文,该论文表明,在成熟的CRISPR RNA双链体中存储的病毒序列,确实会引导其相关的Cas9酶在细胞中随时随地切出相应的病毒DNA。

这篇论文不仅解释了细菌如何利用CRISPR来防御病毒。还表明研究人员可以使用定制的RNA对CRISPR-Cas9复合物进行编程,从而在任何他们想要的地方对DNA双螺旋进行切片。结合细胞的DNA修复机制,可以删除或插入一个新的基因。此外,CRISPR在基因组调控方面的作用可能至少与基因组编辑一样重要。

利用CRISPR,科学家能将可编程转录因子引入细胞DNA。有了这些基因,它们可以在不改变特定基因的情况下,可逆地使其沉默或失活。杜德纳在2015年的TED演讲期间指出,“我们意识到,我们可以利用它作为一种基因工程技术的功能——一种让科学家以令人难以置信的精确度删除或将特定的DNA片段插入细胞的方法——这将提供机会来做过去确实不可能做的事情。”

基因组研究人员和生物技术专家已经迫不及待地使用新的CRISPR技术。随着时间的推移,引用查彭蒂尔和杜德纳论文发表的论文数量呈指数级增长。

查彭蒂尔和杜德纳继续改进技术,其他研究人员包括麻省理工学院布德罗研究所的张锋和哈佛大学的George M. Church (他们每个人都与Doudna和Charpentier同时独立从事开发用于基因组修饰的CRISPR)。

几家生物科技初创企业已经开始将CRISPR技术的应用商业化,包括CRISPR Therapeutics(由查彭蒂尔联合创办)、Caribou Biosciences和Intellia Therapeutics(均由杜德纳联合创办),以及Editas Medicine(由杜德纳、张锋等人联合创办)。

围绕CRISPR的知识产权存在争议:这项技术的一项美国专利最初授予了张锋和布德罗研究所,但杜德纳和查彭蒂尔提出反对,称她们首先申请了专利。但在2017年2月,美国专利局裁定杜德纳和查彭蒂尔无效。(张锋和布德罗研究所的专利是关于真核生物细胞(包括人类细胞)的基因组编辑,而查彭蒂尔和杜德纳申请的专利想覆盖CRISPR-Cas9在所有类型细胞和生物体中的应用,包括细菌、植物、动物和人类。)尽管如此,这项技术仍然免费提供给世界各地的学术研究人员使用。

农业研究人员已经开始利用CRISPR技术来培育抗病虫害的小麦、水稻、柑橘、大豆和其他农作物。动物研究人员一直在培育抗病猪,以及具有“人性化”器官的猪,这些器官可能是安全的供人移植的器官。生物医学研究人员用它来治疗患有类似杜氏肌营养不良症的老鼠。昆虫学家正在探索改变野生蚊子种群基因的可能性,以降低它们传播疟疾和寨卡病毒的能力。CRISPR作为治疗遗传性疾病,如囊性纤维化和镰状细胞病,以及DNA浸润性疾病,如艾滋病的一种手段,也引起了医学研究人员的极大兴趣。

由于对CRISPR的贡献,查彭蒂尔和杜德纳在国际上获得了大量的赞誉和荣誉。除了杨森奖,她们还分享了2015年生命科学突破奖、2015年遗传学格鲁伯奖、2016年加拿大加德纳国际奖(与Feng Zhang一起)等奖项。查彭蒂尔于2016年获得德国研究基金会莱布尼茨奖,并被选为瑞典皇家科学院院士。(杜德纳也是美国国家科学院的成员,但她是在2002年凭借在核糖酶结构方面的贡献被选入。)而此次获得沃尔夫医学奖,作为诺奖风向标之一,查彭蒂尔和杜德纳获得诺贝尔生理学和医学奖指日可待。

如今,作为马克斯·普朗克感染生物学研究所所长,查彭蒂尔在柏林的实验室里继续研究细菌的CRISPR系统,并进一步改进由此产生的基因编辑技术。但她也重新开始研究生物学中其它一些一直感兴趣的大谜团,比如细菌和它们的宿主之间的相互作用,以及在遗传和生化层面控制这种关系的分子。

与此同时,杜德纳也积极参与了正在进行的有关如何明智地应用CRISPR的国际讨论。正如她和其他科学家所警告的那样,对这项技术的热情不应该让任何人忽视意外后果的风险。

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