2020年诺贝尔化学奖，花落她和她！一文看懂“基因剪刀”是什么？（视频）

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当地时间10月7日，瑞典皇家科学院将2020年诺贝尔化学奖授予法国科学家埃曼纽尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和美国科学家詹妮弗·杜德纳(Jennifer A.Doudna)，以表彰她们在基因编辑技术方面的贡献。

回首过去的得奖者们，在收获荣耀与财富之前，他们的孤独与挫败也曾无人知晓，但人生的失意，并没有浇灭他们追求科学的热忱;也有很多科学家与诺奖失之交臂，留下人生遗憾，但他们的成果，仍让今天的人们受益。

人物速览

2位获奖者是什么来头?

据诺贝尔官网介绍，卡彭蒂耶于1968年出生于法国奥尔日河畔瑞维西，是德国柏林马克思·普朗克病原学研究室主任;杜德纳于1964年出生于美国华盛顿特区，是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院。

埃马纽埃尔·卡彭蒂耶 (Emmanuelle Charpentier)1968年12月11日生于法国的奥尔日河畔于维西，法国微生物学家，遗传学家和生物化学家。EmmanuelleCharpentier被誉为“基因编辑之母”，已经获得10项久负盛名的科学奖项，目前担任德国马普学会感染生物学研究所所长，过去20年在5个不同的国家、9所不同的大学工作过。

詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)美国生物学家，加州大学伯克利分校的化学和分子生物学与细胞生物学教授。JenniferA. Doudna还曾在2016年获得世界杰出女科学家成就奖。

华裔科学家张锋其实也对 CRISPR 的发展和应用做出过重要贡献，但是因为卡彭蒂耶和杜德纳是 CRISPR 的奠基者，而诺贝尔可能更倾向于颁给新技术领域的开创者。

不过，两人同时也深陷关于CRISPR-Cas9技术的专利战，而专利权的归属，以及由此引发的深层次伦理和社会问题，也引起了学界的广泛争议。

据介绍，她们开发了基因技术中最锐利的工具之一：CRISPR/Cas9“基因剪刀”。利用这些技术，研究人员可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。

诺奖官网称，这项技术对生命科学产生了革命性的影响，可以帮助研究者开发新的癌症疗法，并使治愈遗传疾病的梦想成为现实。

瑞典皇家科学院院士佩尔尼拉·维通斯塔夫斯戴德（Pernilla Wittung Stafshede）是这样评价她们的基因技术的：“这项技术能够让你在任何希望的地方切割DNA，这给生命科学带来了革命性的影响。” 

在过去，人们若要发现生命的内部运作原理，就必须得修饰细胞中的基因，但这是一项耗时、困难、几乎不可能的工作。

现在，她们可以在几周内就更改生物的生命周期。

诺贝尔化学委员会主席克拉斯·古斯塔夫森说道：这种遗传工具拥有巨大的力量，它将影响我们所有人。因为它不仅使基础科学发生了革命性的变化，而且还将在未来制造出开创性的新疗法。

这将生命科学带入了一个新的时代。

基因编辑是什么？

在许多人眼中，基因编辑更接近生理学或医学领域，而不是化学。对此，华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰，向WLF分析了为什么基因编辑能够拿化学奖。

在诺贝尔化学奖揭晓前，姜雪峰就预测CRISPR基因编辑会获奖：“目前化学两个最重要的突破，一个是材料领域，另一个就是在生命领域。去年的化学奖颁给了锂电池的发现者，所以我估计今年不会连续给材料，应该给生命化学。尤其在今年的疫情之下，在生命化学领域，对包括病毒、癌症这些疾病的治疗，我认为最具潜力、最耀眼的就属CRISPR技术，所以我预测今年的诺贝尔化学奖可能给它。”

那么，基因编辑究竟是什么，我们可以来看看果壳的这个科普视频：

视频来源：果壳

Crispr基因剪刀是怎样的？我们再来看看中国科普博览的这个科普视频：

以下视频来源于

科学大院

CRISPR的发展与争议

CRISPR基因编辑系统的故事还要从一座名为圣波拉（Santa Pola）的地中海小城说起。30年前，一位名为Francisco Mojica的年轻人在当地的一所大学开始攻读博士学位，而他的研究对象，就是圣波拉海滩上发现的一种古细菌。

在分析这种古细菌的DNA序列时，年轻的Mojica观察到了一个有趣的现象——这些微生物的基因组里，存在许多奇怪的“回文”片段。这些片段长30个碱基，而且会不断重复。在两段重复之间，则是长约36个碱基的间隔。对于这种具有规律性的重复，Mojica后来给它起了一个拗口的名字“常间回文重复序列簇（Clustered Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeats）。不过它的缩写好记多了，它就是本文的主角CRISPR。

事实上，这并不是人类首次发现CRISPR序列。早在1987年，一支日本团队（石野良纯教授为第一作者）就已发表论文，表明大肠杆菌里也有类似的序列。不少科学家认为，这是人类首次知道CRISPR序列的存在。然而，这支日本团队当时并没有对CRISPR序列进行详细的研究，因此它的功能还不为人所知晓。

自CRISPR-Cas9基因编辑技术诞生以来，科学家们对其进行了大量的优化与改造。一方面，现在的CRISPR基因编辑技术可以变得更精准，带来更少的脱靶效应（指修改了不应修改的基因）；另一方面，CRISPR系统也已经超越了DNA，能够对RNA进行有效编辑。

此外，初代的CRISPR技术涉及DNA双链的断裂，会引起潜在的风险。如今，科学家们基于CRISPR体系，已经开发出了“单碱基”基因编辑系统，能够对基因进行“微调”。如果说以前的基因编辑，是把书的一页纸撕下，再粘上一页新的纸的话，这种“单碱基”基因编辑系统，就好像是把书页上的错别字给单独修改，有着更高的精度。

当然，围绕着CRISPR的争议也不少。自这项技术问世以来，有关CRISPR基因编辑技术的专利就一直是个热议的问题，迄今也没有得到完美解决。

A股基因板块市值超万亿

在A股中有不少上市公司涉足基因概念，主要有基因测序、检测试剂，及相关服务等细分领域。

去年诺贝尔化学奖颁给了锂电池的三位发明者，随后A股锂电池板块迎来一波炒作。当前科技股正处在风口浪尖，此次诺贝尔化学奖颁给了“基因编辑”发现者，A股基因测序等概念股是否被再度炒作？

华大基因一直被视为基因概念龙头股，公司是国内唯一参加人类基因组计划的公司，作为全球最大的基因测序中心，华大基因拥有世界最大规模的测序通量，并不断强化产业链上游布局。华大基因业务布局生育健康类服务、肿瘤防控类服务、病原感染类服务、多组学大数据与合成业务、精准医学检测综合解决方案等5大板块。

此外，美年健康、金域医学、华测检测、达安基因、迈克生物、贝瑞基因等基因概念股受到普遍关注。目前，A股基因板块市值已经超过万亿元。

据专业分析机构预测，基因检测行业是精准医疗的重要组成部分，随着经济的快速发展，作为人口大国，我国基因检测发展迅速，2018年我国基因检测行业规模将达到603.29亿元，预计2020年市场规模有望达到1015.49亿元，复合增长率将达到37.87%。

“数”说历史上的诺贝尔化学奖

1895年11月27日，瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德•伯恩哈德•诺贝尔（AlfredBernhard Nobel）签署了遗嘱，将自己遗产的大部分设立了一系列奖项，即诺贝尔奖。根据他的意愿，其中一部分颁给“做出最重要的化学发现或改进的人”。

诺贝尔化学奖首次颁发是在1901年，获奖者是荷兰化学家雅各布斯•亨里克斯•范托夫，表彰其在发现溶液中的化学动力学法则和渗透压规律以及对立体化学和化学平衡理论作出的贡献。

截止目前，最年长的诺贝尔化学奖得主是约翰⋅古迪纳夫（John B.Goodenough），他在2019年获得化学奖时已经97岁。古迪纳夫也是目前为止获得诺贝尔奖时年龄最大的科学家。在此之前，这个纪录由96岁高龄获得2018年诺贝尔物理学奖的阿瑟·阿什金保持。

诺贝尔化学奖最年轻的得主是弗雷德里克•约里奥-居里。1935年，他与妻子伊雷娜•约里奥-居里一同获奖，当时他年仅35岁。1934年，弗雷德里克•约里奥-居里和妻子在《自然》杂志上发表一篇名为《一种新型放射性元素的人工产生》的论文。凭借这篇论文，他们夫妻二人荣获了1935年的诺贝尔化学奖。

居里夫妇一家是最成功的“诺奖家族”。1903年，玛丽•居里和丈夫皮埃尔•居里共同获得诺贝尔物理学奖。1911年，玛丽•居里获诺贝尔化学奖。1935年，玛丽•居里的女儿伊雷娜•约里奥-居里和丈夫弗雷德里克•约里奥-居里获得诺贝尔化学奖。

1901年至2019年，诺贝尔化学奖共颁布了111次。期间1916、1917、1919、1924、1933、1940、1941和1942共8年没有颁发。

1901年至2019年，共有184位诺贝尔化学奖获得者，其中弗雷德里克•桑格（FrederickSanger）（1918年8月13日-2013年11月19日）是唯一一位获得过两次诺贝尔化学奖的人，分别在1958年和1980年。这也意味着，实际上获得诺贝尔化学奖的人数是183人。

在被颁出的111次诺贝尔化学奖中，有63次只颁给了一位获奖者，23次同时颁给两人，25次同时颁给三人。

历史上共有5名女性获得过诺贝尔化学奖。

1911年，玛丽•居里获诺贝尔化学奖。

1935年，伊雷娜•约里奥-居里和丈夫弗雷德里克•约里奥-居里一同获奖。

1964年，英国生物化学家多萝西•玛丽•霍奇金获奖。

2009年，以色列科学家阿达•约纳特和另外两人一同获奖。

2018年，美国科学家弗朗西斯•阿诺德和另外两人一同获奖。

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记   者丨师琰

编   辑丨辛灵

法国科学家夏蓬迪（Emmanuelle Charpentier）教授和美国科学家杜德纳教授（Jennifer Doudna）凭借开发基因组编辑技术的工作荣膺2020年诺贝尔化学奖。她们的研究成果被誉为带来一场生物技术的革命，由她们开发的基因组编辑技术能够以前所未有的精确度非常经济地重写基因组并纠正缺陷基因。

这是诺贝尔化学奖上百年历史上首次在同一年颁发给两名女性，这也使获得诺贝尔化学奖的女性人数从5人增加到7人。两位科学家将共同分享1000万瑞典克朗奖金。

诺贝尔化学委员会的颁奖词中指出，这两位科学家发现了“基因技术中最强大的工具之一”——CRISPR / Cas9基因组编辑技术，这也被称作“遗传剪刀”，通过使用“遗传剪刀”，研究人员可以非常高精度地改变动物、植物和微生物的DNA。

她们开发的基因组编辑技术是基于产生与将要进行“切割”的DNA编码相匹配的蛋白质，使研究人员能够以某种方式插入、修复或编辑基因，从而使DNA不会将这种改变视为损害，而是将其视为可被细胞复制的合法编辑。

正如杜德纳在2015年的TED演讲中指出的那样：“我们可以利用其作为基因工程技术的功能，科学家能够以惊人的精度将特定的DNA片段删除或插入到细胞中的一种方式，这将为我们提供过去做不到的事情的机会。”

“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，并且可能使治愈遗传性疾病的梦想成真。”诺奖委员会指出，应用这项发现“不仅彻底改变了基础科学，而且还产生了创新的农作物，并将导致开创性的新医疗方法”。

如何发现“基因剪刀”

夏蓬迪是法国微生物学家、遗传学家和生物化学家，她的研究生涯跨越欧美，2015年至今担任柏林马克斯·普朗克感染生物学研究所所长，也是瑞典皇家科学院院士。

她1968年12月11日出生于巴黎，从小受到父母的鼓励，积极从事各种学术和艺术活动，并继承了母亲对心理学的兴趣，也喜欢哲学、数学和医学，早年就立誓要为人们的医疗健康做出贡献。

1986年至1992年间，夏蓬迪在巴黎皮埃尔大学和玛丽·居里大学（UPMC）攻读了微生物学、遗传学和生物化学的本科课程。随后她继续在巴斯德研究所（1992-1995）和UPMC（1993-1995）从事研究工作并获得微生物学博士学位，在此期间，她研究了抗药性的分子机制，还进行了有关细菌在感染宿主过程中如何与周围环境相互作用的研究。

随后她赴美国洛克菲勒大学，师从Elaine Tuomanen研究肺炎链球菌，之后随纽约大学的Pamela Cowin研究哺乳动物基因。2002年，她在维也纳大学微生物学和遗传学研究所拥有了自己的实验室，在那里开始了对CRISPR的探索。

夏蓬迪在研究化脓性链球菌细菌时，发现了一个以前未知的分子tracrRNA，她发现该分子是CRISPR / Cas的一部分，该系统通过切割病毒的DNA解除它们的武装。

按照微生物学界在2000年代初的假设，CRISPR就像一种细菌的免疫系统，可以保护它们免受其所感染的病毒的侵害；对于细菌而言，CRISPR就像是一堵遗传通缉令墙，用于张贴已知的病毒威胁。在夏蓬迪看来，CRISPR如何实现这种防御的细节是一个谜，她和同事开始悄悄研究这个问题，并确定了与CRISPR相关的特定小RNA分子，它们与称为Cas9的DNA切片酶相互作用。夏蓬迪怀疑这些RNA——其中包括病毒基因序列的一部分——将Cas9引导至病毒DNA中的靶标，并使其能够破坏感染细胞的病毒。这个概念在当时是非正统的。

杜德纳2009年移居瑞典于默奥大学，在那里完成的进一步实验为她的大胆想法奠定了重要证据。实验证明，转录包含病毒序列的CRISPR RNA时，它会通过与另一部分RNA（称为tracrRNA）形成双链体并与Cas9结合而成熟，由此产生的复合体似乎具有阻止病毒攻击所需的所有要素。夏蓬迪在2010年的一次学术会议上首次提出了她的重要发现，并在2011年的《自然》杂志上正式发表相关论文。

那时她已很清楚，如果CRISPR-Cas9系统能够如此迅速而有效地定位细胞中的DNA靶标，那么它具有作为基因工程工具的巨大潜力。

双剑合璧，基因科学大突破

几个月后，夏蓬迪参加了在波多黎各举行的一次会议，在那里见到加州大学伯克利分校化学和分子生物学与细胞生物学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员杜德纳。杜德纳也一直在研究CRISPR系统中涉及的RNA。

这位美国生物学家比夏蓬迪年长4岁，1964年出生于华盛顿。她在克莱蒙特的波莫纳学院学习化学，并从哈佛大学获得了生物化学和分子药理学博士学位。1991年杜德纳前往科罗拉多大学博尔德分校和托马斯·切赫（Thomas Cech）实验室——后者最近因发现核酶而获得诺贝尔奖——在那里，她开始致力于研究特定核酶的结构。1994年至2002年，她在耶鲁大学任教，2003年开始担任加州大学伯克利分校的教授，并建立自己的实验室。

当她在波多黎各会议上遇见杜德纳时，两人都认识到彼此的长项会为CRISPR-Cas研究带来互补优势，并决定跨越大洋两岸的实验室物理鸿沟实现合作。

她们共同在试管中成功重建了细菌的遗传剪刀，并简化了剪刀的分子成分，因此更易于使用，可以在预定位置切割任何DNA分子。2012年8月，两人的合作成果发表在《科学》杂志上。

该论文的价值是不仅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，从而在所需的任何地方切割DNA双螺旋。结合细胞的DNA修复机制，他们可以删除一个基因或插入一个新基因。而且，CRISPR在基因组调控中的作用可能至少与基因组编辑同样重要。借助CRISPR，科学家可以将可编程的转录因子引入细胞的DNA，从而可以可逆地灭活特定基因而无需改变它们。

该项技术为广泛的研究做出了贡献，基因研究人员和生物技术人员都急于使用，使得引用两位科学家合作论文的已发表论文数量自那以后呈指数级增长。

农业研究人员已在使用CRISPR技术来设计抗病虫害的小麦、水稻、橘子、大豆和其它农作物；动物研究人员则在使用该技术制造抗病猪，以及那些具有“人性化”器官的猪，使其成为向人类移植的安全捐助者；生物医学研究人员将该技术用于治疗患有杜氏肌营养不良症的小鼠；昆虫学家正在探索利用该技术改变野生蚊子种群遗传学的可能性，以降低其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性疾病以及DNA渗透性疾病如HIV的一种方法也引起医学研究人员的极大兴趣。人们普遍认为，基于CRISPR的疗法可在10年内针对人类疾病进行测试，因为血细胞系比大多数组织更容易操纵，并且成年人的非遗传性遗传改变不那么受制于道德要求。

诺奖委员会也明确指出，在医学上，基于CRISPR技术，新癌症疗法的临床试验正在进行中，人类能够治愈遗传性疾病的梦想“即将实现”。

“明智应用”CRISPR技术事关人类未来

两位科学家此前已获得许多有分量的国际学术奖项，包括2015年生命科学突破奖、2015年格鲁伯遗传学奖和2016年德国莱布尼兹奖等，也被广泛认为将成为诺贝尔奖得主。

目前，夏蓬迪在柏林的实验室中继续研究CRISPR系统，并进一步完善由此产生的基因编辑技术；但她也将研究兴趣放回到其它一些一直让她感兴趣的生物学谜团，例如细菌与其宿主之间的相互作用以及在遗传和生化水平上控制这种关系的分子。

杜德纳则积极参与有关如何明智地应用CRISPR的国际讨论。她坚持认为，对这项技术的热情不应使任何人对意外后果的风险视而不见，不应轻易放纵几乎不可抗拒的改变人类胚胎或生殖系组织以预防子孙后代的诱惑。

伦理学家担心，CRISPR技术会被过于随意地用于消除非严格病理条件从而改变DNA传给后代的状况，这种对子孙后代的“改进”可能会引起优生噩梦。

出于这个原因，杜德纳帮助带动了科学界的一项运动，以讨论和管理CRISPR技术。2015年11月，科学家举行国际大会并制定一系列协议，宣布暂时、自愿暂停对人类的大多数潜在CRISPR实验。

根据该协议的条款，只有在实验的潜在利益大大超过潜在危害的情况下，才能在人类卵子上进行实验，并且仅在不可能将其进行鉴定的人类胚胎上进行实验。