crispr|基因编辑终于等到诺贝尔化学奖！两位女科学家斩获，为何没有张锋
撰文 | 返朴
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 。
获奖人简介：
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 。 在CRISPR的发展中 ， 其主要的贡献在于发现Cas9蛋白的活性仰赖tracrRNA 。
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 。 她与Emmanuelle Charpentier博士共同发现Cas9 的切割作用和 ， crRNA 的定位作用 ， 并将crRNA与tracrRNA可以融合成单链引导RNA（sgRNA） 。
相关领域专家分析称 ， 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（1980年化学奖当年人工重组给的是伯格）；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 。
1. 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[1] 。
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 (包括人类) 的生命密码 。
2. CRISPR 简史
图1：CRISPR发展简史
CRISPR的发现与命名
早在1987年 ， 日本大阪大学的Nakata研究组在分析大肠杆菌时就发现 ， 细菌中存在一些异常重复的序列[2] 。 但当时人们并不知道这些重复序列究竟有什么作用 ， 甚至还没有正式为这些重复序列命名 。 直到20世纪80年代末 ， 西班牙阿利坎特大学的Francisco Mojica再次在一种古菌种发现了类似的重复序列[3] ， 这引起了他极大的兴趣 。 在随后的研究中 ， 他一直在微生物中寻找类似结构 ， 到2000年他已经在20多种不同的微生物种中发现了这一类似的序列[4] 。 2002年 ， 荷兰乌得勒支大学的Ruud Jansen发现不同物种的重复序列碱基数存在巨大差异 ， 并且这种序列仅存在于原核生物中 。 为了更好地规范相关的研究 ， 他们共同为这种重复序列命名为“CRISPR” 。。 多个CRISPR相关基因则被命名为Cas（CRISPR-associated）家族[5] 。
CRISPR-CAS系统的生物学作用
2005年 ， CRISPR研究迎来了一个重要发现 ， 两个研究小组（Mojica和Pourcel）都观察到了CRISPR重复序列之间的间隔序列并非来自于原核生物自身 ， 而是来源于质粒或病毒[6-7] 。 因此 ， Mojica提出CRISPR是一种适应性免疫系统的假设 。 同年 ， Bolotin研究组在嗜热链球菌中发现了Cas9 ， 并预测这个庞大的蛋白质具有核酸酶活性 。 他们还发现与病毒同源的间隔序列都具有一种类似的尾巴 ， 称为PAM（protospacer adjacent motif）序列 ， 它们对靶序列的识别至关重要 。
受到这一假说的激发 ， 当时还在著名的酸奶公司Danisco工作的法国微生物学家Rodolphe Barragou决定对其进行验证 ， 以解决嗜热链球菌爆发噬菌体感染死亡而影响酸奶生产的问题 。 2007年 ， 他们通过实验证明CRISPR系统确实是一种适应性免疫系统 。 嗜热链球菌被病毒入侵后 ， 整合了来自噬菌体基因组新的间隔序列 ， 同样的病毒再次入侵时细菌就有了抵抗攻击能力[8]而Cas9蛋白可能是产生这种免疫能力所必需的 。 这是首次在实验上证实了CRISPR-Cas是一种细菌获得性免疫系统 。
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