专访:我们获得了操控进化的手段

来源: 科学世界

发布日期: 2020-10-09

埃马努埃莱·沙尔庞捷博士和珍妮弗·杜德纳博士通过共同研究,阐明了CRISPR/Cas9作为细菌防御系统的工作机制,并拓展了其在基因组编辑技术中的应用。他们的研究不仅在医疗领域有广泛应用,还对农业领域产生了深远影响。

CRISPR/Cas9作为非常便捷的基因组编辑工具,在各行各业得到了广泛应用。埃马努埃莱·沙尔庞捷博士和珍妮弗·杜德纳博士不仅阐明了CRISPR/Cas9作为细菌防御系统的工作机制,也拓展了基因组编辑技术应用的可能性。沙尔庞捷博士原本从事细菌免疫的研究,杜德纳博士早先从事RNA分子构造及功能的研究。两位博士手里拿的是结合到DNA与RNA上的Cas9蛋白的分子模型。

在CRISPR/Cas9体系中,就是用该蛋白质剪断DNA。本文为2017年2月3日由Newton编辑部进行的采访。

杜德纳博士,听说您是被同一大学的研究者邀请共同研究,从而开始了CRISPR/Cas系统的研究。您在研究初期对CRISPR/Cas系统抱有什么样的印象呢?杜德纳:在2006年前后,同校的微生物学者邀请我共同研究CRISPR/Cas系统,但那时尚处于没有任何实验数据的状态。

仅仅作为假设,推测CRISPR/Cas系统是使用小RNA分子的获得性免疫系统。真核生物也具有利用RNA来防止感染的机制。同样,细菌也应当是利用RNA来防止病毒感染的。我觉得这一观点非常有魅力且十分有趣。那之前,我一直从事RNA的研究,这是我最擅长的领域,因此决定将CRISPR/Cas系统作为我的研究对象。

细菌免疫系统的CRISPR/Cas是只找出DNA中特殊序列并将其剪断的系统。

关键在于以什么DNA序列为标靶,并能随心所欲地改变。由此,我们开始考虑CRISPR/Cas是否能用于基因编辑技术。沙尔庞捷:我并未将CRISPR/Cas系统本身作为研究目的,而是想作为揭示RNA控制路径中的一环,才开始致力于研究CRISPR/Cas的。CRISPR/Cas的研究仅仅是阐释RNA在细胞内的作用这一长期目标中的一部分。

CRISPR/Cas9是细菌用来防止病毒感染、保护自身的工具。细菌将病毒DNA的一部分注入自身体内,从而获得对这种病毒的抵抗力。当该病毒的DNA再次侵入时,就能复制该DNA,并合成RNA。这种RNA能够结合到病毒的DNA上,并与Cas9成为一体,从而剪断病毒的DNA。也就是说,将过去感染过的病毒进行记录,就能对再次侵入的病毒DNA实施准确破坏。该机制就是CRISPR/Cas9系统。

我们是在2011年于波多黎各召开的“细菌RNA生物学”会议上初次相见。杜德纳博士在会上就CRISPR/Cas系统发表了精彩的演讲,我才了解到杜德纳博士不仅仅限于CRISPR/Cas,还对RNA在各种生物中的作用进行了极为出色的研究。为了理解CRISPR/Cas的全部体系,就必须弄清楚该体系中出现的分子的特性。所以,我认为杜德纳博士是最佳的共同研究者。

而且,在实际开始共同研究之后,我也深深地体会到这一点,不仅仅是研究内容,就人品而言,她也非常杰出。不过,在进一步开展研究的过程中,并不是由我们本人亲自动手进行实验的。正因如此,我认为对共同研究来说,和包括学生在内的研究同仁一起精诚协作才是最重要的。

至今为止,我进行过大量的关于RNA调控体系的研究。RNA调控体系非常复杂,很难获得百分之百的反应。

与此相反,CRISPR/Cas则是用RNA找到特定DNA序列并就地剪断,是非黑即白、条理清晰的体系。因此比较容易展开工作。我们的研究对象是化脓性链球菌的CRISPR/Cas系统。如今,我们发现相比于其他细菌,该细菌的CRISPR/Cas系统非常高效。也就是说,选择该细菌作为研究对象是非常幸运的。基于它的工作让我们发表了介绍CRISPR/Cas系统作用机制的第一篇论文。

开展研究时,我们都想尽早知道详细的CRISPR/Cas作用机制,为此而相互激励。在这个过程中,我们自然而然地进行了分工,从而得以顺利开展实验。此外,幸好有值得信赖的美国联邦快递和敦豪快递的帮助,使得杜德纳博士和我能跨越大西洋交换实验样品。

在推进研究的过程中,有两位同伴给了我们特别大的帮助。其中一位专攻分子生物学和微生物,是沙尔庞捷博士实验室的学生。另一位是非常优秀的化学与结构生物学者,也是我实验室的博士后。在我们团队各自推进的领域遇见不可逾越的困难时,多亏他们相互协作才实现了突破。在这点上,我们的合作堪称完美。

我认为,掌握这项技术之后,人类才真正获得了操控包括自身在内的动植物进化的手段,这无疑是一个巨大的挑战。

在医疗领域,今后10年内,这项技术可能会更广泛地用于治疗遗传病。同时,在农业领域的应用也会迅猛发展。应该能诞生出适应各种环境、营养价值更高、拥有更好特质的植物。由此考虑的话,至少在今后10年间,在世界范围内,这项技术在农业领域的影响或许要比医疗领域的更大。因为每个人都需要进食。因此,农业领域的应用不只局限于发达国家的人们,也会给整个世界的人们带来影响。

我认为,当今生物学研究正在迎来令人振奋的时代。这里所讲的并不仅限于CRISPR/Cas9的技术。现在,实时动态成像技术、细胞与组织及脏器的培养技术等更多的技术正在急速发展。在没有CRISPR/Cas9与其他技术的年代里难以阐明的问题,现在年轻的研究者们已能解决,并且能够在各种生物材料上加以实践,这是非常了不起的创举。

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