诺奖解析｜基因剪刀重写生命密码，推动生命科学革命性变革

10月7日，2020年诺贝尔化学奖花落两位基因编辑技术CRISPR/Cas9的发明者：埃曼纽尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna），获奖理由是“开发了一种基因编辑技术”。两人将获得1000万瑞典克朗奖金（约合760万人民币）。

组委会在新闻稿中将CRISPR/Cas9称作“基因技术中最锐利的工具之一”，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。

这是诺贝尔化学奖首次同时授予2名女性科学家。

CRISPR/Cas9基因剪刀

CRISPR-Cas9是一种基因编辑工具，其中Cas9酶就像一对能够切割DNA链的分子剪刀。一旦酶在特定位点切割DNA，就可以进行插入和编辑，从而改变DNA序列。

CRISPR的全称是“clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats”（即成簇、规律间隔的短回文重复序列）的缩写。利用这种序列，细菌可以对侵袭过它的病毒产生“记忆”。自从日本科学家20世纪80年代末发现CRISPR之后，科学家就一直在研究这种奇怪的基因序列。然而，直到杜德纳和卡彭蒂耶偶然注意到一种名叫Cas9的蛋白，CRISPR才显示出它作为基因组编辑工具的巨大潜力。

诺贝尔化学委员会主席Claes Gustafsson说，“这种基因工具有着强大的力量，影响着我们所有人。它不仅使基础科学发生革命性变化，而且产生了新的作物，并将带来开创性的新疗法。”

1968年，卡彭蒂耶出生于法国。她于1995年获法国巴斯德研究所博士学位。现任德国马克斯普朗克病原体科学研究所主任。

1964年，杜德纳生于美国华盛顿。1989年，杜德纳获美国波士顿哈佛医学院博士学位。现为美国加州大学伯克利分校教授，霍华德·休斯医学研究所研究员。

基因剪刀：改写生命密码的工具

1953年，J.D.Watson和F.H.C.Crick提出了DNA的分子结构。此后，科学家们开始努力开发能够操纵细胞和有机体遗传物质的技术。随着CRISPR-Cas9的发展，科学家如今能够在细胞和生物体内修改DNA序列。这项技术在基础科学、生物技术等领域得到了广泛的应用。

作为一项具有惊人潜力的基因编辑技术，CRISPR-Cas9的发现是一个意外。诺贝尔奖组委会介绍，当卡彭蒂耶和杜德纳开始研究链球菌的免疫系统时，他们认为自己可以开发出一种新的抗生素。意外的是，他们发现了一种新的分子工具，它可以用来在遗传物质上精确切割，使改变生命密码成为可能。

链球菌对病毒的天然免疫系统：CRISPR/Cas9

2011年，杜德纳开始与卡彭蒂耶合作发展CRISPR技术。一年后，两人在《科学》杂志发表论文，首次分析了CRISPR基因编辑系统在试管中精确切割DNA的可行性。他们简化了基因剪刀的分子组成，使这项技术更易于使用。

此后，CRISPR技术被不断推广。植物科学家用它开发出能够抵御霉菌、害虫和干旱的作物。医学领域，新癌症疗法的临床试验正在进行。当前，科学家正在开展临床试验，研究是否可以使用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。

需要注意的是，这项强大的基因编辑技术有可能被滥用。多年来，多国法律管控着基因工程的应用，其中包括禁止以遗传改变的方式修改人类基因组，涉及人类和动物的实验在开始之前必须经过伦理委员会的审查和批准。世界卫生组织近期成立了一个全球多学科专家小组，专注于审查与人类基因组编辑有关的科学、伦理、社会和法律挑战，目的是为人类基因编辑制定一个全球治理框架。

专利与商业化

除卡彭蒂耶和杜德纳外，还有几位科学家也被认为是CRISPR技术发展过程中的重要贡献者，例如麻省理工学院博德研究所的张锋教授、哈佛大学医学院的乔治·丘奇（George Church）、立陶宛维尔纽斯大学的生物化学家Virginijus Siksnys以及CRISPR基因编辑技术的发掘者和命名者、西班牙微生物学教授弗朗西斯·莫西卡。

1993年，莫西卡在研究一种生存在盐碱环境的细菌时意外发现了其DNA的独特重复结构，一种能够抵抗病毒DNA侵入的免疫系统。后来，他陆续在20种细菌的DNA里面发现，通过这种系统细菌可以记忆入侵过的病毒，当该病毒再次入侵时，该系统会识别并切割病毒核酸。莫西卡把它命名为CRISPR，即群聚且有规律间隔的短回文重复序列。

2012年，杜德纳与卡彭蒂耶在《科学》杂志上率先报道CRISPR能在试管中精确切割DNA。随后，博德研究所张锋领导的科研团队在2013年2月的《科学》杂志刊文称，他们将这一方法用在了真核细胞上——包括利用小鼠和人类细胞进行了试验。

科学家们很快意识到CRISPR的巨大潜力，开启商业化的道路，闻名学术界的“基因魔剪”专利之争也随之展开。

2012年5月，杜德纳所在的加州大学伯克利分校向美国专利和商标局提交了与CRISPR相关的专利申请，同年12月，张锋所在的博德研究所也提交了有关CRISPR基因编辑技术的专利申请。杜德纳团队在全球首次报道可运用CRISPR-Cas9系统在体外进行DNA片段的切割，但无详尽的细胞实验进行验证；而张锋团队则是全球首次将CRISPR基因编辑技术在真核细胞中得以实现。

2018年9月10日，历经5年的“专利权争夺大战”尘埃落定，美国联邦巡回上诉法院（CAFC）宣布将CRISPR基因编辑专利权授予给麻省理工学院张锋教授团队。

2013年，杜德纳与张锋、丘奇等人共同成立医药公司Editas Medicine。这家公司获得了4300万美元的风险投资，用于开发基于CRISPR的药物，早期主要关注眼部疾病的治疗。2018年，Editas Medicine得到了美国食品药品监督管理局批准的基因编辑临床试验许可。2016年，Editas Medicine在纳斯达克上市。

不过，在张锋取得CRISPR-Cas9的专利后，杜德纳便离开了Editas Medicine。目前，该公司的科学创始人为张锋、乔治·丘奇、J. Keith Joung和大卫·刘。

除Editas Medicine外，另外两家初创生物技术公司CRISPR Therapeutics和Intellia Therapeutics也看好CRISPR技术的商业化，专注于开发镰刀型贫血症药物和癌症疗法等。