10月7日，瑞典諾貝爾獎委員會宣佈，將2020年的諾貝爾化學獎授予法國女科學家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷和美國女科學家珍妮弗·道德納，以表彰她們發明基因修飾方法CRISPR-Cas9，也就是人們通常所說的基因剪刀。

1 兩位獲獎科學家做了什麼

很多細菌的細胞裡有一種適應力免疫系統叫做“CRISPR-Cas”，它可以使細菌偵測到病毒DNA並消滅它。CRISPR-Cas系統中，有一種叫CRISPR-Cas9的蛋白質，它能夠以特殊的方式尋找、剪斷並最後消除病毒DNA。

CRISPR-Cas9是一種目前比較精確，而且切割速度較快的基因剪刀，利用這把剪刀可以對動物、植物和微生物的DNA進行有目標性的編輯加工（剪下、刪除、位移和增加等），從而治療疾病，尤其是遺傳病，並且獲得人們想要的作物和生物產品。

今年的諾貝爾化學獎授予沙爾龐捷和道德納，是因為她們證明了CRISPR-Cas9基因剪刀的準確和有效。

沙爾龐捷首先是在對人類造成極大傷害的細菌化膿性鏈球菌的研究中發現了一種以前未知的分子tracrRNA。研究表明，tracrRNA是細菌古老的免疫系統CRISPR-Cas的一部分，該系統透過切割噬菌體的DNA而解除其武裝，從而抵抗噬菌體DNA入侵細菌。2011年，沙爾龐捷發表了她的研究結果。

也就是在同一年，沙爾龐捷與具有豐富RNA知識的資深生物化學家道德納合作，獲得突破性的成果。在2012年6月發表的論文中，兩位女性科學家介紹，她們的團隊純化了Cas9蛋白，發現它是雙RNA引導的DNA內切酶，並首次在體外（試管中）證明使用Cas9的CRISPR系統可以切割任意DNA鏈，說明CRISPR-Cas在活細胞中有修改基因的能力。同時，她們簡化了基因剪刀的分子成分，建立了CRISPR-Cas9基因剪刀，因此更易於使用。這是最早把細菌天然免疫系統轉化為CRISPR-Cas9的基因剪刀，並具有任意切割基因的功能。

後來，沙爾龐捷和道德納又用CRISPR-Cas9基因剪刀成功編輯了大腸桿菌的基因，結果表明CRISPR-Cas9比起之前的其他基因剪刀更有效和準確。基因剪刀不止一種，而是有很多，此前很多科學家也發現和研發了多種，如ZFNs和TALENs，這些基因剪刀都沒有CRISPR-Cas9好用。

2 一大批科學家對此都有貢獻

事實上，CRISPR-Cas和CRISPR-Cas9的發現和發明都並非只有獲獎者兩個人的貢獻，而是一大批科學家不斷研究、相互印證的結果。

美國的《細胞》雜誌曾發文回顧過CRISPR技術的早期發展過程及其所在地，同時美國麻省理工學院-哈佛大學博德研究所所長埃裡克·蘭德也對CRISPR-Cas基因編輯技術的發明過程有過總結。從1987年日本學者石野良純團隊的偶然發現，到後來西班牙科學家弗朗西斯科·莫伊卡、荷蘭科學家範德歐斯特等人的一系列工作，在發明CRISPR-Cas9這種高效簡單的基因組編輯技術的道路上，做出貢獻的科學家名單可以列出長長的一串。

特別值得一提的是，2013年1月，麻省理工學院教授、華裔科學家張鋒和哈佛大學醫學院教授喬治·邱奇同時在《科學》上分別發表論文，證明CRISPR-Cas9可以編輯哺乳動物細胞基因，而且成功地編輯了小鼠和人類細胞的基因。幾周之後，道德納實驗室也發表了類似的結果。

因此有人認為，張鋒也有可能因為發現CRISPR-Cas9可應用於人類細胞而獲得諾貝爾獎，並且張鋒與道德納等人在過去曾打過多起關於CRISPR-Cas9技術應用的專利官司，雙方各有勝負。而且石野良純首先發現了CRISPR-Cas也可能獲獎，另外西班牙的莫伊卡最先認識到CRISPR-Cas的重要性，並且對其從結構到功能的揭示都有卓越貢獻，也應當獲獎。

但是，在諾貝爾獎委員會看來，所有人在發現CRISPR-Cas9基因剪刀的過程中都沒有沙爾龐捷和道德納貢獻大，只有她們二人的成果才是最關鍵的核心貢獻。所以此次的諾貝爾化學獎授予的不是初創者，也不是擴充套件者，而是給了研發出最關鍵核心技術的人。

3 基因剪刀有廣泛的用武之地

CRISPR-Cas9作為一種比較精準而高效的基因剪刀在各個領域，如生物、醫學、農業、化學等方面有著廣泛的用武之地。這種基因剪刀可以用來刪除、新增、啟用或抑制其他生物體的目標基因，包括人、老鼠、斑馬魚、細菌、果蠅、酵母、線蟲和農作物細胞內的基因，因此，它是一種用途極為廣泛的生物技術。

在農作物方面，人們可以利用這一基因剪刀來生產抵抗黴菌、害蟲和乾旱的農作物，而且已經產生了多種成果。2019年，肯亞國際熱帶農業研究所科學家雅因達拉·特里帕斯團隊就採用基因剪刀CRISPR-Cas9剪下了一種大香蕉基因組中的病毒DNA，使其不再讓香蕉產生條紋病。與未經編輯的大香蕉相比，經過編輯的大香蕉有75%沒有出現香蕉條紋病毒症狀，這也意味著即便暴露在乾旱壓力下，也能讓香蕉不受病毒的侵害，實現保產和增產。

在改造動物基因方面，基因剪刀也表現出了重要的價值。中國南京醫科大學生殖醫學國家重點實驗室等機構的研究團隊利用CRISPR-Cas9基因剪刀，首次在全球創造和孕育了兩隻靶向基因編輯猴。創造靶向基因編輯猴的目的是建立猴子疾病模型，用來模擬人類，試驗藥物和治療遺傳病，從而降低藥物研究和以人做試驗的風險。研究人員利用CRISPR-Cas9基因剪刀修改了3個基因。這三個基因分別是，調節代謝的基因Ppar-γ、調節免疫功能的基因Rag1、調節幹細胞和性別決定的基因。研究人員在180多個單細胞期猴胚胎中同時靶向編輯了這3個基因，然後對15個胚胎的基因組進行測序，結果發現其中有8個胚胎顯示出兩個靶基因同時突變的證據。這兩個基因就是調節代謝的基因Ppar-γ和調節免疫功能的基因Rag1。此後，研究人員將這種經過遺傳修飾的胚胎轉移到代孕母猴體內，其中一隻母猴分娩出了一對孿生猴。對這對孿生猴的基因組進行檢測後發現，它們的DNA中確實存在兩個突變的靶基因，因此把這兩隻猴稱為靶向基因編輯猴。

2014年，美國貝勒醫學院張普民團隊也採用CRISPR-Cas9基因剪刀製造出了能夠產生人類白蛋白的基因編輯豬。2016年初，包括張鋒在內的多個研究機構的團隊利用CRISPR-Cas9基因剪刀來治療動物的杜興氏肌肉萎縮症遺傳病，結果提高了它們的預期壽命和生活質量，這顯然是為治療人的杜興氏肌肉萎縮症進行動物試驗。

此外，邱奇團隊也正在利用CRISPR-Cas9基因剪刀來大量編輯豬的基因，去除豬的基因中對人有害的微生物，讓其生長為可以為人類所用的器官，以解決人體器官移植供不應求的問題。

4 基因剪刀“剪”不好可能脫靶

CRISPR-Cas9基因剪刀同樣存在短板和缺陷，最大的短板是它可能脫靶，即這一基因剪刀可能會在DNA錯誤的位置進行剪下，或脫離原有的設計目標，造成意外傷害。如果是用於治療人的疾病，就有可能產生不可預控的嚴重後果。

2018年9月，《自然方法》期刊發表一篇文章指出，在對小鼠的試驗中，CRISPR-Cas系統確實能夠成功矯正引發失明的基因，從而治療小鼠的失明。但是，有兩隻接受基因剪刀治療的小鼠的基因組中存在超過1500個單核苷酸突變以及超過100處更大基因片段的缺失和插入。這便是脫靶造成的後果，而且可能危及小鼠的生命。

CRISPR-Cas9基因剪刀固然有巨大的應用前景，但是在應用時還有巨大的風險，需要由人類的倫理和法律來監管。

延伸閱讀

女性獲獎的突破

今年的諾貝爾化學獎獲獎者都是女性，這次獲獎是諾貝爾自然科學獎歷史上第一次在一個年份的一種獎項由女性囊括，可謂前所未有。女性獲獎是每年諾貝爾獎的焦點話題之一，今年同樣可能成為熱議。一個顯而易見的現象是，在諾貝爾自然科學獎獲獎者中，儘管近年來女性獲獎人數增多，但佔比還是太少。但是，只要投身於科學的女性逐漸增多，女性獲獎也會越來越多。正如今年獲獎的沙爾龐捷在獲獎後說，“我希望，這將給那些願意踏上科學道路的年輕女孩們傳遞積極的資訊，向她們表明，女性科研工作者也能透過她們進行的研究脫穎而出。”

沙爾龐捷1968年生於法國奧爾日河畔瑞維西，1995年在法國巴黎的巴斯德研究所獲得博士學位。她目前擔任德國馬克斯·普朗克感染生物學研究所主任。

道德納1964年生於美國華盛頓，1989年從美國哈佛大學醫學院獲得博士學位。她目前是美國加利福尼亞大學伯克利分校教授，以及美國霍華德·休斯醫學研究所研究員。

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