上周六，基因编辑新锐公司CRISPR Therapeutics 和Vertex公司利用基因编辑技术治疗镰刀型贫血和地中海贫血，在接受治疗后患者的红细胞得到修复，血液中血红蛋白水平升高，且基因编辑技术无脱靶效应。基因编辑技术用于临床治疗的大幕已徐徐开启。

值得一提的是CRISPR Therapeutics的创始人之一Emmanuelle Charpentier，今年获得了诺贝尔化学奖。自这项技术2012年诞生之后就被广泛关注，且广泛应用于各个领域，从作物品种改良到对动物基因的修饰。本文邀请上海巴斯德研究所研究员晁彦杰为我们解读基因编辑技术。

早在10年前，CRISPR基因编辑技术还在襁褓之中，晁彦杰就加入了Charpentier的研究团队，寻找CRISPR-Cas9系统中的关键组分，没想到它诞生后会有如此巨大的杀伤力。

图片来自nobelprize.org

撰文 | 晁彦杰 （中国科学院上海巴斯德研究所研究员）

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2020年10月7日傍晚，瑞典皇家科学院宣布，将2020年诺贝尔化学奖授予德国马普学会的Emmanuelle Charpentier和加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna两位女性科学家。二人将得到共计1000万瑞典克朗的奖金（约相当于650万人民币），以奖励二者在自然界中发现了CRISPR-Cas9这个“基因剪刀”，并将其开发成为一种高效的基因组编辑工具。

2020年诺贝尔化学奖两位得主，图片来自nobelprize.org

在此之前，诺贝尔化学奖的荣誉仅仅授予过5位女性，其中就包含了居里夫人（1911）及其女儿约里奥-居里（1935）二人。自1901年诺贝尔奖设立以来，Charpentier和Doudna是第六位和第七位获得诺贝尔化学奖的女性。同时，这也是历史上首次一项诺贝尔奖同时授予两位女性科学家。一方面反映了女性在当今社会中的不断提升的地位与成就，另一方面也为众多女性研究生和青年科技工作者树立了一个成功的终极榜样。

Charpentier获奖当天发言时特意强调，“希望她们的获奖可以给全球的年轻女孩传递一个强有力的信号”。

其实早在2014年起，Charpentier和Doudna就已经被认为是最有可能、最热门的诺贝尔奖人选。她们的获奖仅仅是一个时间问题。虽然Charpentier曾谦虚地表示诺贝尔奖只是一个细微的可能性，但Charpentier和Doudna两人已经包揽了世界上各种各样的科学大奖。

据不完全统计，在过去6年间，Charpentier共获得37项重要的科学奖励与荣誉，包括了2015突破奖，2016唐奖，2017日本国际奖，2018科维理奖，2020沃尔夫医学奖等等。其中大部分奖项与Doudna共同获得，仅有极个别奖项与其它CRISPR学者分享，如华人学者张锋和立陶宛学者Virginijus Šikšnys。因此Charpentier和Doudna二人获得2020年诺贝化学奖可以说是毫无悬念，甚至是众望所归。

CRISPR-Cas9的发现能够受到诺贝尔奖的青睐完全不是偶然。作为一个可被编程的编辑工具，CRISPR-Cas9可以听从指挥、精确地切割任何一段基因序列，被誉为是一种可以编辑和改写生命密码的强大的文字处理器。

自从2006年成功完成人类基因组计划之后，CRISPR-Cas9有可能是这个世纪人类最伟大的发现之一，未来在各行各业中都将带来巨大的变革。可以预见在不远的将来，人们可以利用CRISPR-Cas9技术，在更短时间内、更精确地修正动物、植物、微生物和病毒的基因突变，淘汰耗时费力的传统遗传育种技术，获得更优质的生物制品，治疗先天性遗传疾病，给癌症患者带来福音。 

通常情况下，科学发现往往需要经过长时间的考验才会被社会广泛接受与承认。但是CRISPR-Cas9作为基因编辑工具在2012年被报道后，仅仅8年时间就被授予了诺贝尔奖。这可能是历史上颁奖最快的科学发现之一，足以见证CRISPR-Cas9给世界带来革命一般的迅猛变化和巨大的影响力。

CRISPR-Cas9其实是小小微生物内部的一套免疫系统，并不是天外来客。它的发现过程有一段传奇般的历史。最初，科学家们并不知道CRISPR-Cas9能有什么用，而是他们在追寻好奇心、坚持从事基础研究的过程中的一个偶然发现。CRISPR-Cas9的发现离不开众多科学家、尤其是微生物学家早期的努力与坚持，这背后本身也是一段有趣的故事。

故事始于大约30年前。90年代初，一位名叫Francisco Mojica的西班牙学者第一次在微生物中注意到了CRISPR的存在。CRISPR代表着Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，即一段非常有规律的重复性序列。当时人们对基因序列的了解非常少，Mojica等人也对CRISPR的功能百思不得其解，提出了很多可能的假说，但是数年间一直毫无进展。

这种情况大概持续了15年的时间。直到2005年之后，CRISPR的研究进展突然走上了高速路。事情的起因来自于一家酸奶公司内部研究的偶然发现。这家公司制作酸奶使用的嗜热链球菌，会被一种细菌病毒（噬菌体）破坏，因此公司希望能找到一种能抵抗噬菌体的菌株，提高酸奶生产效率。实验发现筛选出的细菌中，CRISPR的序列发生了明显的变化，首次证实 CRISPR的功能与抵抗噬菌体感染有关，而且这种功能需要CRISPR旁边的Cas蛋白质的参与。科学家们第一次认识到，CRISPR-Cas构成了微生物中最原始的获得性免疫系统，与人体免疫系统一样，不但能识别外来入侵者而且具有记忆力！

自此之后，对微生物获得性免疫系统的研究进入了如火如荼的黄金十年。人们都争先恐后地想弄清楚这套免疫系统的工作机制，例如CRISPR-Cas是如何识别出外来入侵者的，如何摧毁它们，又是如何保存这段记忆的。在这个过程中，许多科学家对解析CRISPR-Cas都做出了卓越的贡献。早期比较突出的是一位荷兰学者John van der Oost。2008年，他带领的团队首次发现CRISPR其实是一段非编码RNA，经过剪切加工后，与多个Cas蛋白质组装成了一个大型的RNA-蛋白质复合体，形成一套功能独立的免疫系统，保护大肠杆菌不受噬菌体的威胁。

虽然大肠杆菌的CRISPR免疫系统也具备基因组编辑的潜力，但在当时并未引起大多数人的注意。因为这套系统包含了5个完全不同的蛋白质，人工改造利用的难度较大；而且另一个关键问题没有解决，这些蛋白质究竟是怎么样摧毁病毒的？

同样是在2008年，美国芝加哥西北大学的一位微生物学博士后Luciano Marraffini完美地回答了这个问题。他通过巧妙的实验设计，首次证明了CRISPR-Cas的作用对象是DNA，用切割的方式摧毁外来DNA，为“基因剪刀”的概念提供了坚实的理论支持，并大胆地预测CRISPR-Cas未来有可能用于编辑基因。

大约在同一时间，法国微生物学家Emmanuelle Charpentier开始与我的导师Jörg Vogel合作，在德国马普感染生物学研究所开始对化脓性链球菌的RNA转录图谱进行分析，意外地发现了一个与CRISPR相关的新分子，即tracrRNA。为了尽快弄清tracrRNA的功能，2009年起我也加入到这个课题中，负责完成离体的RNA实验工作。我们发现tracrRNA与CRISPR RNA通过碱基配对的方式相互结合，引导CRISPR RNA的剪切与加工。我们的结果证明了tracrRNA是CRISPR-Cas系统的最主要的组分之一，对其免疫功能至关重要。更为关键的是，我们发现化脓性链球菌中的CRISPR免疫系统比大肠杆菌要简单的多，只需要1个蛋白质的参与！这个蛋白质就是后来大名鼎鼎的Cas9，而这套最精简的CRISPR-Cas9系统，成为了打开基因组编辑之门的一把万能钥匙。

这把钥匙第一次开启基因组编辑之门，来自于Emmanuelle Charpentier与美国RNA生物化学家Jeniffer Doudna的成功合作。从2011年3月二人相识到2012年6月论文被《科学》杂志接受，短短的一年时间内，她们的团队不仅成功弄清了CRISPR-Cas9核酸酶的工作机制，更将CRISPR RNA和tracrRNA融合改造成一条更加易用的向导RNA （guide RNA），第一次实现了对DNA的定点切割与编辑，首先对CRISPR-Cas9技术申请了专利，携手拉开了基因组编辑时代的大幕。

2012年起，CRISPR-Cas9的研究进入了爆发式增长，大量基于CRISPR-Cas9的应用技术得以发明。仅仅一年之后的2013年，George Church、张锋等人将CRISPR-Cas9技术应用到了真核细胞中，证实CRISPR-Cas9可以实现对哺乳动物细胞的基因组编辑，而且在多种不同的细胞中都获得了较高的效率。这些人很快预见到了CRISPR-Cas9未来在生物医学领域各种各样的临床应用，成立了很多小型的初创公司进行临床开发工作，如Editas，CRISPR Therapeutics，Intellia Therapeutics等，现在都已在纽约证券交易所成功上市，资产达上亿美金。CIRPSR-Cas9获奖之后，这些CRISPR概念股一夜之间上涨了近三成。CRISPR-Cas9技术巨大的应用价值和迅速的市场转化，令科学发现与资本市场、股票交易、专利权官司等紧密地联系起来，这在诺贝尔奖历史上也是非常少见的。

不仅仅是临床治疗与医药领域，CRISPR-Cas9的发现与应用也完全改变了生命科学的研究方式，一手推动了高等生物的科研工作全面跨入了“后基因组”或“功能基因组”时代。利用CRISPR-Cas9技术，几周时间就可以在动物细胞内删除或改造一个基因，几个月时间就能获得一个基因改造过的动物品系，极大地加快了科研工作的进程，使一些以前不可能完成的任务变为可能。这些工作以前往往需要花费数十倍的投入和时间，甚至需要几代博士生的连续努力和失败。而现在，CRISPR-Cas9将基因敲除变成了每个实验室的常规技术，任何一个受过简单训练的技术员都可以完成。最近几年，CRISPR-Cas9技术已经发展到了高通量、规模化的阶段，一次实验可以筛选几万个基因的功能，使科学家们能够迅速找到关键的疾病基因。例如我国著名科学家、中科院院士邵峰研究员，利用CRISPR-Cas9高通量筛选，成功地在人体细胞中找到了一个识别病原菌危险信号的新受体蛋白，充分展现出CRISPR-Cas9作为一个技术工具在现代生命科学研究中的重要作用。

科技改变世界，科技改变未来。这次诺贝尔化学奖，让我们每个人都切身地感受到，一个在小小微生物中的基础研究成果，如何迅速地发展成为一个改变世界、改变未来的“基因魔剪”。不过值得骄傲的是，这一次中国学者并没有落后，对CRISPR-Cas9技术的发展和应用做出了大量的贡献。中国科学家们不但发展出了很多新的基因组编辑工具，而且已经在生命、医药、农业、环境、海洋等许多不同的领域找到了CRISPR-Cas9的用武之地。

这一次，CRISPR-Cas9的时代已经到来。未来，希望广大同学们能够继续投身到更加前沿的基础科学研究，做出原始创新性的发现，引领下一次的科技革命浪潮。正如Doudna所说：“从事科学研究的目的不是为了拿奖，我们只是希望能了解奇妙的大自然”。大自然孕育生命的宏伟进程，加上科学家们对了解自然规律的好奇心，未来必将源源不断地造就出各种各样“偶然”的奇迹。而下一个发现奇迹的人，可能就是那个驻足观察琢磨的你和我。

制版编辑 | Morgan