北京时间10月7日晚,2020年诺贝尔化学奖颁给了Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna,以表彰其在基因编辑方面作出的贡献。Emmanuelle Charpentier博士,法籍微生物学家,现为德国马克斯·普朗克研究所感染生物学研究所所长。
Jennifer A. Doudna博士,为伯克利大学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的研究员,美国国家科学院院士。华人科学家张锋首先在真核细胞内采用CRISPR-Cas9实现基因编辑,但他未能获奖,可能是因为张锋的工作原创性要低一些,他的贡献更像当初细胞重组中科恩和伯耶的贡献;而且化学奖更注重体外实验结果,他的突破主要体现在细胞方面。
CRISPR已经是目前生物医学方面非常普及的基因编辑技术,近几年该技术的飞速发展,推广应用到了生物、医学、农业以及环境等多个领域,造就了一批批科研奇迹,尤其是在遗传病的治疗、疾病相关基因的筛查与检测、肿瘤治疗以及动植物的改造、病原微生物防治等领域有着巨大的潜力,也将深远地影响整个世界。
什么是CRISPR?
CRISPR的全称是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,中文翻译为“规律成簇的间隔短回文重复”。这个词的字面意思就是“代表了同一类特征明显、排列整齐、秩序一致的重复序列”。它作为细菌的适应性免疫系统,当外源病毒或质粒DNA进入细胞时,专门的Cas蛋白会将外源DNA剪成小片段,并将它们粘贴到自身的DNA片段中存储。
当再次遇到病毒入侵时,细菌能够根据存储的片段识别病毒,将病毒的DNA切断而使之失效。科学家利用CRISPR的这一功能,将其改造成为一种革命性的新型分子工具。由于它具有精准的定位和切割任何种类的遗传物质的能力,使得科学家能够更得心应手地破解地球上任何生物的生命密码。
CRISPR技术迅速发展使得它在转化医学和疾病治疗领域中的应用不断创造出惊喜。
2015年Science杂志发表了成功使用CRISPR治疗遗传性疾病动物模型的方法。他们利用CRISPR系统编辑Dystrophin基因,能够不同程度修复杜氏肌营养不良症小鼠的肌肉功能,从而达到治疗DMD的效果。2018年有研究证实利用CRISPR技术成功治疗了四只患有DMD(Duchenne型肌营养不良症)的狗,并将其肌肉和心脏组织中的营养不良蛋白恢复到正常水平的92%。
此外,CRISPR技术还与细胞免疫疗法相结合以完善CAR-T疗法,并在小鼠中增强了肿瘤抑制作用。首次利用CRISPR-Cas9在T细胞中敲除PD-1基因的临床试验已被批准用于治疗肌肉浸润性膀胱癌、去势抵抗性前列腺癌、转移性肾癌和转移性非小细胞肺癌,并在2016年开始了I期临床试验。
目前,CRISPR并不止在基因组编辑得到了应用,在基因检测方面也展现了巨大的潜力。
在2017年Science发表的研究中,Doudna团队发现了一个很有趣的现象:CRISPR系统在剪切靶向的双链DNA的同时,Cas12的DNA酶活性会被激活。
这个发现为检测细胞内是否含有某目的DNA提供了一个全新的思路:同时向细胞内递送靶向该DNA的CRISPR-Cas12a系统和非特异性ssDNA荧光报告基因,一旦检测到目的DNA,CRISPR-Cas12a系统将启动,与此同时,荧光报告基因也会被降解,从而释放出荧光信号。
利用这一技术,Doudna团队开发了DETECTR系统,能够在1小时内100%准确检测出HPV 16感染,且单次测试成本不到一美元。与此同时,张锋团队也利用CRISPR-Cas13a开发出了SHERLOCK系统和SHERLOCKv2系统,与Doudna团队不同,张锋团队设计的荧光报告基因必须是特异性,也正是“特异性”这个优点使得SHERLOCKv2可以同时检测多种序列。
张锋团队还开发了类似验孕棒的试纸检测方法,只需一张试纸,SHERLOCKv2就能显示出病毒感染的检测结果,这使得检测更为便利。在今年COVID-19的检测技术开发中,SHERLOCKv2也曾一显身手。