基因剪刀改写生命密码—— 2020年诺贝尔化学奖的奥秘

杨先碧

基因被称为生命密码，因为生物的外在特征大多是由基因决定的。曾经，人们认为改变生命密码的方法只有繁殖和进化两种。随着越来越多生物基因图谱的完成，科学家似乎成了新时代的物种工匠，可以按照规则改变许多生物的基因，其中最重要的方法就是利用被俗称为“基因剪刀”的基因编辑技术。法国生物学家埃玛纽埃勒•沙尔庞捷和美国生物学家珍妮弗•道德纳发现了一种特别好用的基因剪刀，她们因此获得了2020年诺贝尔化学奖。

科学家常把基因组比喻成一本生命天书，而且是可以修改的。修改基因组的过程也因此被称为基因编辑，主要包括对某段基因进行剪切、删除、移动、粘贴等，其中最重要的步骤是剪切，因此基因编辑技术又常常被俗称为“基因剪刀”。

基因编辑是继转基因之后人类找到的又一种基因工程技术，它在本质上与转基因并无不同，都是在改写生命密码，从而在分子水平上改变生物的遗传特性。在合成生物、育种技术等领域，两者可以取长补短；而在医学领域，基因编辑则更胜一筹。因对某个物种进行基因编辑时不影响其他物种的基因，基因编辑更容易被人们接受。

古老的基因剪刀

从20世纪90年代以来，科学家开发出多种基因剪刀。沙尔庞捷和道德纳在9年前发现的CRISPR-Cas，也是一种基因剪刀，如今已广泛应用于基因研究领域。之所以说她们“发现”而非“发明”了一种基因剪刀，是因为这种基因剪刀是个超级“老古董”，早已存在于自然界中，已经被细菌熟练地运用了数亿年。

CRISPR的意思是“成簇的规律间隔短回文重复序列”。这似乎念起来十分拗口，意思也令人迷惑。没关系，我们只要知道它是细菌防御病毒侵入的免疫系统即可。当细菌遭遇病毒入侵后，CRISPR可以产生Cas质粒，并以之作为剪刀，将外来病毒DNA中的某些基因片段剪掉，病毒因此被杀灭。

Cas质粒是细菌细胞内一种自我复制的环状双链DNA分子，能稳定独立地存在于染色体外。现在常用的Cas质粒大多数是经过改造或人工构建的，是修改基因的重要工具。

发现基因剪刀

人们第一次发现CRISPR是在1987年，由日本分子生物学家石野良纯在大肠杆菌中偶然发现。但是，由于当时基因科学的发展水平有限，他没有意识到CRISPR系统可以作为生物学家的基因工具。

进入21世纪以来，改变生物基因的基因工程学成了最热门的生物学研究领域之一。起初，沙尔庞捷的研究课题并非基因剪刀，而是化脓性链球菌的生物特性。在研究这种细菌时，她发现了一种新的RNA分子（即tracrRNA）。在跟踪这种分子的过程中，沙尔庞捷发现它是某些细菌免疫系统的一部分。

接下来的研究中，她发现这种免疫系统居然如同病毒切割机，可用一种切割酶去消灭病毒。细菌中这个杀灭病毒的系统被她称为CRISPR-Cas。沙尔庞捷2011年发表了这项研究成果。同年，她与道德纳开始合作研究如何把来自细菌的基因剪刀用到其他研究中。她们在实验室中顺利地重建了源自细菌的CRISPR-Cas，将天然的免疫手段转化为可被人类利用的基因剪刀。

她们在进一步的研究中简化了基因剪刀的分子组成，让生物学家用起来更加趁手。如果善加利用，这把基因剪刀不但可以切割任何生物的基因，而且使用起来简直是轻而易举。利用这把基因剪刀，生物学家可以更加便捷地改写生命密码。

最锋利的基因“手术刀”

在自然界中，CRISPR-Cas有多种类别，其中第九号基因剪刀CRISPRCas9是科学家研究最深入、应用最成熟的一种类别。这种“剪刀”切割精准度最高，切割速度最快，因此操作起来比较方便，被科学家当成最锋利的基因“手术刀”，用于治疗人类遗传病，或是改变其他生物的基因。目前，该技术成果已应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确修饰。

比如，在用猪培育人类器官的研究中，科学家发现这种器官具有很大的风险性，因为猪基因组含有大量内源性逆转录病毒基因，可能引发未知的人类疾病。中国科学家杨璐菡利用基因剪刀CRISPR-Cas9，成功将猪肾上皮细胞基因组中的全部62个内源逆转录病毒基因剪切失活，将基因编辑后的猪细胞和人类细胞放在一起培养，发现猪病毒对人类细胞的侵染率只是未经基因编辑猪细胞的千分之一。

影响我们每个人

CRISPR-Cas9被科学家称为第三代基因编辑工具。相比前两代基因编辑工具（锌指核酸酶和转录激活样效应因子核酸酶），CRISPR-Cas9具有成本低、易上手、效率高等优势，因此风靡整个生物学界。科学界普遍认为，这是21世纪以来生物技术方面最重要的突破。

诺贝尔化学奖评选委员会如此评价沙尔庞捷和道德纳的获奖成果：“这个基因编辑工具拥有巨大能量，会影响我们每个人。它不仅在基础科学领域引发变革，还产生很多创新性成果，并将为癌症等难治之病带来更加有效的疗法。”

人类目前能够用CRISPR-Cas9治疗的疾病主要为血液病和一些恶性肿瘤，其他正在探索CRISPR-Cas9疗法的疾病包括先天性失明、艾滋病、精神分裂症等。

总之，基因剪刀开启了生命科学研究的新时代，并在许多方面越来越多地造福人类。