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艾曼纽尔·夏彭蒂埃和詹妮弗·A·杜DNA发现了基因技术最锐利的工具之一：CRISPR/Cas9基因剪刀。  利用这些技术，研究人员可以非常精确地改变动植物和微生物的DNA。这项技术对生命科学产生了革命性的影响，正在为新的癌症疗法做出贡献，并可能使治愈遗传疾病的梦想成真。研究人员要想了解生命的内部运作方式，就需要修改细胞中的基因。这曾经是一项耗时、困难、有时甚至不可能完成的工作。使用CRISPR/Cas9基因剪刀，现在可以在几周内改变生命的密码。“这种基因工具有着巨大的力量，影响着我们所有人。诺贝尔化学委员会主席克莱斯·古斯塔夫森说：“它不仅使基础科学发生了革命性的变化，而且产生了创新的作物，并将导致开创性的新医疗方法。”。在科学界，这些基因剪子的发现出乎意料。在艾曼纽尔·夏彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）对化脓性链球菌（Streptococcuspyogenes）的研究中，她发现了一种以前未知的分子tracrRNA。她的研究表明tracrRNA是细菌古老的免疫系统CRISPR/Cas的一部分，它通过切割病毒的DNA来解除病毒的武装。夏彭蒂埃在2011年发表了她的发现。同年，她发起了与珍妮弗·杜DNA（JenniferDoudna）的合作，后者是一位经验丰富的生物化学家，对RNA有着丰富的知识。他们一起成功地在试管中重新创造了细菌的基因剪子，并简化了剪刀的分子组成，使其更易于使用。在一个划时代的实验中，他们重新编程了基因剪子。在它们的自然形态中，剪刀可以识别病毒的DNA，但Charpentier和Doudna证明，它们可以被控制，从而可以在预定的位置切割任何DNA分子。DNA被切割的地方就很容易重写生命的密码。自2012年Charpentier和Doudna发现CRISPR/Cas9基因剪子以来，它们的使用量激增。这个工具在基础研究中有许多重要发现，植物研究人员已经能够开发出能够抵御霉菌、害虫和干旱的作物。在医学方面，新癌症疗法的临床试验正在进行，能够治愈遗传疾病的梦想即将实现。这些基因剪刀将生命科学带入了一个新的时代，并在许多方面给人类带来了最大的利益。 艾曼纽尔·夏彭蒂埃，1968年出生于法国奥格郡朱维西。1995年获法国巴黎巴斯德研究所博士学位。德国柏林，马克斯·普朗克病原体科学部主任。 詹妮弗A.杜德娜，1964年生于美国华盛顿，1989年毕业于美国波士顿哈佛医学院，美国加州大学伯克利分校教授，霍华德休斯医学院研究员。 奖金金额：1000万瑞典克朗，由获奖者平分 艾曼纽尔·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA因发现基因技术最锐利的工具之一：CRISPR/Cas9基因剪刀而获得2020年诺贝尔化学奖。研究人员可以利用这些技术以极高的精度改变动植物和微生物的DNA。这项技术革新了分子生命科学，为植物育种带来了新的机遇，为创新的癌症疗法做出了贡献，并可能使治愈遗传疾病的梦想成真。科学的魅力之一在于它是不可预测的——你永远无法事先知道一个想法或一个问题可能会导致什么结果。有时好奇的头脑会遇到死胡同，有时会遇到一个棘手的迷宫，需要数年才能找到。但是，时不时地，她意识到自己是第一个凝视着无限可能的地平线的人。名为CRISPR-Cas9的基因编辑器就是这样一个具有惊人潜力的意外发现。当艾曼纽尔·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA开始研究链球菌的免疫系统时，一个想法是他们也许可以开发出一种新的抗生素。取而代之的是，他们发现了一种分子工具，可以用来在遗传物质上进行精确的切割，从而使改变生命密码成为可能。  图1利用基因剪刀，研究人员可以编辑几乎所有生物的基因组。 影响每个人的强大工具 就在他们发现8年后，这些基因剪刀重塑了生命科学。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进展中的可能作用。在植物育种中，研究人员可以赋予植物特定的特性，例如在较温暖的气候下抵御干旱的能力。在医学上，这个基因编辑正在致力于新的癌症疗法和第一个试图治愈遗传性疾病的研究。关于CRISPR-Cas9的使用，几乎有无数的例子，其中也包括不道德的应用。就像所有强大的技术一样，这些基因剪子需要被调节。2011年，艾曼纽尔·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA都不知道，他们在波多黎各一家咖啡馆的第一次见面是一次改变人生的邂逅。我们将首先介绍Charpentier，他最初提出了他们的合作。 Charpentier对病原菌很着迷 有人说她很有干劲，细心周到。也有人说艾曼纽·夏彭蒂埃总是寻找意想不到的东西。她引用路易斯·巴斯德的话来说，她自己，“机会偏爱有准备的头脑”。对新发现的渴望和对自由和独立的渴望支配着她的道路。包括她在巴黎巴斯德研究所的博士研究，她生活在五个不同的国家，七个不同的城市，在十个不同的机构工作。她的研究环境和研究方法都发生了变化，但她的大部分研究都有一个共同点：致病菌。他们为什么这么咄咄逼人？他们是如何产生对抗生素的耐药性的？有没有可能找到新的治疗方法来阻止他们的进展？ 2002年，当EmmanuelleCharpentier在维也纳大学成立了自己的研究小组时，她关注的是对人类造成最大危害的细菌之一：化脓链球菌。每年，它会感染数以百万计的人，经常导致扁桃体炎和脓疱病等容易治愈的感染。然而，它也会导致危及生命的败血症，并破坏身体的软组织，使其享有“肉食者”的美誉。为了更好地了解化脓链球菌，夏彭蒂埃首先深入研究了这种细菌的基因是如何调节的。这个决定是发现基因剪子的第一步，但在我们沿着这条路走得更远之前，我们将进一步了解詹妮弗·杜DNA。因为当查彭蒂埃在对化脓链球菌进行详细研究时，杜德娜第一次听到一个她认为听起来更脆的缩写词。 科学——和侦探小说一样冒险 然而，当她开始解开科学谜团时，她的注意力并不是在DNA上，而是在它的分子兄弟——RNA上。2006年，当我们见到她时，她领导着加州大学伯克利分校的一个研究小组，有着20年的RNA研究经验。她是一位成功的研究者，对突破性的项目有敏锐的嗅觉，她最近进入了一个令人兴奋的新领域：RNA干扰。多年来，研究人员一直认为他们了解RNA的基本功能，但他们突然发现了许多小RNA分子，这些分子有助于调节细胞中的基因活性。2006年，詹妮弗·杜DNA（JenniferDoudna）因参与RNA干扰而接到另一部门同事的电话。 细菌携带着古老的免疫系统 她的同事是一名微生物学家，她向Doudna讲述了一个新发现：当研究人员比较大不相同的细菌以及古生菌（一种微生物）的遗传物质时，他们发现重复的DNA序列保存得非常好。相同的代码一遍又一遍地出现，但是在重复之间有不同的唯一序列（图2）。就像一本书中每一个独特的句子之间重复着同一个词。这些重复序列的数组被称为聚集的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、非重复的序列似乎与各种病毒的遗传密码相匹配，因此目前的想法是，这是一种古老的免疫系统的一部分，可以保护细菌和古生菌免受病毒的侵害。这种假设是，如果一种细菌成功地在病毒感染后幸存下来，它会在其基因组中加入一段病毒的遗传密码，作为对感染的记忆。她的同事说，目前还没有人知道这一切是如何运作的，但怀疑是细菌用来中和病毒的机制与Doudna研究的RNA干扰相似。 Doudna绘制了一个复杂的机器 这个消息既引人注目又令人激动。如果细菌确实拥有古老的免疫系统，那么这是一件大事。詹妮弗·杜DNA的分子阴谋感开始活跃起来，她开始学习有关CRISPR系统的一切知识。结果发现，除了CRISPR序列外，研究人员还发现了他们称之为CRISPR相关的特殊基因，简称cas。Doudna发现有趣的是，这些基因与编码已知蛋白质的基因非常相似，这些蛋白质专门负责解开和切割DNA。那么Cas蛋白有相同的功能吗？它们能切割病毒DNA吗？她让她的研究小组开始工作，几年后，他们成功地揭示了几种不同Cas蛋白质的功能。与此同时，其他大学的一些其他研究小组也在研究新发现的CRISPR/Cas系统。他们的图谱显示，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1类，它是一个复杂的机制，需要许多不同的Cas蛋白来解除病毒。第二类系统非常简单，因为它们需要更少的蛋白质。在世界的另一个地方，伊曼纽尔·夏彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）刚刚遇到了这样一个系统。回到她身边。当我们离开Emmanuelle Charpentier时，她住在维也纳，但在2009年，她搬到了瑞典北部的Umeå大学一个有良好研究机会的职位。有人警告她不要搬到世界上这么偏僻的地方，但漫长而黑暗的冬天让她有足够的宁静和宁静来工作。她需要它。她还对小的、基因调控的RNA分子感兴趣，并与柏林的研究人员合作，绘制了化脓链球菌中发现的小RNA。这一结果给了她很多思考的余地，因为这种细菌中大量存在的一种小RNA分子是一种至今未知的变体，这种RNA的遗传密码非常接近细菌基因组中特有的CRISPR序列。两者之间的相似之处使查彭蒂埃怀疑他们有联系。仔细分析它们的遗传密码还发现，小而未知的RNA分子中有一部分与CRISPR重复的部分相匹配。这就像找到两个拼图块完美地结合在一起（图2）。 Charpentier从未与CRISPR合作过，但她的研究小组发起了一些彻底的微生物检测工作，以绘制化脓链球菌中CRISPR系统。这个系统属于2类，已经知道它只需要一个Cas蛋白Cas9就能切割病毒DNA。Charpentier指出，未知的RNA分子，即反式激活crispr RNA（tracrRNA）也具有决定性作用；基因组中crispr序列产生的长RNA必须成熟为其活性形式（图2）。  经过密集而有针对性的实验后，艾曼纽尔·夏彭蒂埃于2011年3月发表了tracrRNA的发现。她知道她正紧跟着一件非常激动人心的事。她在微生物学方面有多年的经验，在她对CRISPR-Cas9系统的持续研究中，她希望与一位生物化学家合作。珍妮弗·杜DNA是自然的选择。所以那年春天，当夏彭蒂埃被邀请到波多黎各的一个会议上谈论她的发现时，她的目的是会见这位熟练的伯克利研究员。巧合的是，他们在会议的第二天在一家咖啡馆见面。杜德纳的一位同事互相介绍了他们，第二天，夏彭蒂埃建议他们一起探索首都的老城区。当他们漫步在鹅卵石街道上时，他们开始谈论他们的研究。Charpentier想知道Doudna是否对合作感兴趣——她愿意参与研究化脓链球菌简单的2类系统中Cas9的功能吗？詹妮弗·杜DNA对此很感兴趣，他们和他们的同事通过数字会议为这个项目制定计划。他们怀疑CRISPR-RNA是鉴定病毒DNA所必需的，而Cas9是切断DNA分子的剪刀。然而，当他们在体外测试时，什么也没有发生。DNA分子完好无损。为什么？实验条件有问题吗？或者Cas9有完全不同的功能吗？经过大量的脑力激荡和无数次失败的实验，研究人员终于在他们的测试中加入了tracrRNA。以前，他们认为只有当CRISPR-RNA被切割成活性形式时，tracrRNA才是必需的（图2），但是一旦Cas9获得tracrRNA，每个人都在等待的事实发生了：DNA分子被切割成两部分.进化的解决方案常常让研究人员感到惊讶，但这是一件非同寻常的事情。链球菌用来保护病毒的武器是简单有效的，甚至是绝妙的。基因剪子的历史本可以到此为止；Charpentier和Doudna发现了一种给人类带来巨大痛苦的细菌的基本机制。这一发现本身就令人震惊，但机遇有利于有准备的头脑。 划时代的实验 研究人员决定尝试简化基因剪子。利用他们关于tracrrna和CRISPR-RNA的新知识，他们发现了如何将二者融合成一个分子，他们将其命名为guideRNA。利用这种简化的基因剪刀变体，他们进行了一个划时代的实验：他们研究他们是否能够控制这种遗传工具，以便它在研究人员决定的位置切割DNA。到目前为止，研究人员知道他们已经接近一个重大突破。他们提取了一个已经在Doudna实验室的冷冻室中的基因，并选择了5个不同的地方进行基因切割。然后，他们改变剪刀的CRISPR部分，使其代码与剪切的代码相匹配（图3）。结果是势不可挡。DNA分子被切割到了正确的位置。  基因剪刀改变了生命科学 在2012年EmmanuelleCharpentier和Jennifer Doudna发表了他们对CRISPR/Cas9基因剪刀的发现后不久，几个研究小组就证明，这种工具可以用来修改老鼠和人类细胞的基因组，导致爆炸性的发展。以前，改变细胞、植物或有机体中的基因是耗时的，有时甚至是不可能的。利用基因剪刀，研究人员可以——原则上——在任何他们想要的基因组上进行切割。在此之后，很容易利用细胞的自然系统进行DNA修复，从而改写生命代码（图3）。因为这个基因工具非常容易使用，它现在在基础研究中被广泛使用。它被用来改变细胞和实验动物的DNA，以了解不同基因的功能和相互作用，例如在疾病过程中。因为这个基因工具非常容易使用，它现在在基础研究中被广泛使用。它被用来改变细胞和实验动物的DNA，以了解不同基因的功能和相互作用，例如在疾病过程中。 基因剪刀也成为植物育种的标准工具。以前研究人员用来修改植物基因组的方法通常需要添加抗生素抗性基因。在种植作物时，这种抗生素耐药性有可能扩散到周围的微生物。多亏了基因剪刀，研究人员不再需要使用这些老方法，因为他们现在可以对基因组进行非常精确的改变。除其他外，他们还编辑了使水稻从土壤中吸收重金属的基因，从而培育出镉和砷含量较低的改良水稻品种。研究人员还开发出了在更温暖的气候下更能抵御干旱的作物，并且能够抵抗昆虫和害虫，否则就必须使用杀虫剂。在医学领域，基因剪刀正在为癌症的新免疫疗法做出贡献，并且正在进行试验以实现梦想——治愈遗传疾病。研究人员已经在进行临床试验，研究他们是否可以使用CRISPR/Cas9治疗镰状细胞贫血和β地中海贫血等血液疾病，以及遗传性眼病。他们也在开发修复大脑和肌肉等大器官基因的方法。动物实验表明，经过特殊设计的病毒可以将基因剪刀传递给所需的细胞，治疗诸如肌营养不良、脊髓性肌萎缩症和亨廷顿氏病等毁灭性遗传疾病的模型。然而，这项技术还需要进一步完善才能在人体上进行测试。 基因剪刀的力量需要调节 除了这些好处外，基因剪刀也可能被滥用。例如，这个工具可以用来制造转基因胚胎。然而，多年来一直有法律法规控制着基因工程的应用，其中包括禁止以允许遗传改变的方式修改人类基因组。此外，涉及人类和动物的实验在进行之前必须经过伦理委员会的审查和批准。 有一点是肯定的：这些基因剪刀差影响着我们所有人。我们将面临新的伦理问题，但这一新工具很可能有助于解决人类目前面临的许多挑战。通过他们的发现，艾曼纽·夏彭蒂埃和詹妮弗·杜DNA开发了一种化学工具，将生命科学带入了一个新纪元。它们使我们看到了一个巨大的、具有无法想象的潜力的地平线，而且，在我们探索这片新大陆的过程中，我们肯定会有新的、意想不到的发现。 原文链接： https://www./prizes/chemistry/2020/popular-information/ |
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