2020年诺贝尔化学奖公布！基因编辑技术终获奖！

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，两位获奖者将分享1000万瑞典克朗奖金（约合760万人民币）。

今日诺贝尔化学奖得主公开，Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna两位女性科学家获奖。诺贝尔化学奖是根据瑞典著名化学家阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔的遗嘱设立的，旨在颁给“做出最重要的化学发现或改进的人”，由瑞典皇家科学院颁发。

2020年度诺贝尔化学奖授予两位科学家的原因为“开发出一种基因组编辑方法”，她们开发了基因技术中最锐利的工具之一：CRISPR/Cas9“基因剪刀”(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”)。

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。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。

获奖者是谁？

Emmanuelle Charpentier，1968年生于法国。1995年法国巴黎巴斯德研究所博士。现任德国马克斯·普朗克病原学研究室主任。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，1964年生于美国。1989年博士毕业于哈佛医学院。现任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员。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）。

CRISPR/Cas9基因剪刀是如何被发现的？

基因剪刀的发现是充满着意外性的。

在Emmanuelle Charpentier对化脓性链球菌（对人类危害最大的细菌之一）的研究中，她发现了一种之前未知的分子——tracrRNA。她通过研究表明，tracrRNA是细菌古老的免疫系统CRISPR-Cas不可或缺的一部分。

CRISPR-Cas是细菌免疫系统的一部分，被用来抵抗病毒感染。

在CRISPR-Cas9系统中，酶Cas9在病毒DNA靶位点上进行切割，其中这种靶位点是这样确定的：一种被称作CRISPR RNA（crRNA）的RNA分子利用它的一部分序列与另一种被称作tracrRNA的RNA分子通过碱基配对结合在一起，形成嵌合RNA（tracrRNA/crRNA），然后，借助crRNA的另一部分序列与靶DNA位点进行碱基配对，以这种方式，这种嵌合RNA就能够引导Cas9结合到这个靶位点上并进行切割，也因此这种嵌合RNA也被称作向导RNA（guide RNA, gRNA）。

细菌就利用这种工作机制阻止病毒感染。

2011年，Emmanuelle Charpentier将CRISPR-Cas9系统描述成由两种形成RNA双链的RNA分子——tracrRNA和pre-crRNA，其中tracrRNA 对crRNA前体进行加工，让后者变成由成熟的crRNA和蛋白Cas9（之前被称作Csn1）组成。

Charpentier在2011年发表了她的研究。同年，她遇到了Jennifer A. Doudna并开始了之后的研究合作。

2011年初，Emmanuelle Charpentier在美国微生物学会年会上遇见了Jennifer A. Doudna。Emmanuelle Charpentier曾对化脓性链球菌内的小RNA进行测序，并发现该细菌内tracrRNA的含量异常丰富。通过生物信息学分析他们预计编码该RNA的基因序列与CRISPR位点临近，并推测其可能影响CRISPR的功能，但CRISPR系统的作用机制却不清楚。而Doudna是一位经验丰富的生物化学家，对RNA有着丰富的知识。

然而如何解析该CRISPR体系的作用机制呢？

首先要明晰Cas9的功能，而当他们将Cas9，crRNA以及相应的病毒DNA混合之后，却发现Cas9无法剪切病毒DNA。经过反复分析，最终他们找到了实验失败的原因：tracrRNA的缺失。

经过夜以继日的工作，Cas9剪切过程的全貌逐渐浮出水面：首先Cas9需要结合到病毒DNA上，并打开DNA的双链使crRNA能与DNA的一条单链进行碱基配对，配对成功则会诱导Cas9的两个核酸酶功能模块同时剪切两条DNA单链，使DNA断裂。随着crRNA的变换，该系统几乎可以剪切所有能够与crRNA配对的病毒DNA序列。

那么Cas9能不能剪切除病毒DNA序列外的其他DNA序列呢？如果可以的话CRISPR将可能成为新的基因编辑工具。

为了简化基因编辑系统，研究小组将crRNA与TracrRNA作为两种向导RNA（gRNA）或融合在一起形成单链引导RNA（single guide RNA，sgRNA）。接下来为了验证该系统的剪切病毒DNA之外的能力，研究小组选择了绿色荧光蛋白（GFP）中由20个碱基组成的5个不同序列，并且获得了能够与之配对嵌合RNA。在将RNA与Cas9和GFP DNA混合之后，不出所料，所有的GFP DNA都能在所设定的位点被完美的剪切。

实验成功证实了这种单链引导RNA是特异性地引导酶Cas9结合到靶DNA序列上所必需的，这种方法不仅简化了基因剪刀的分子组成，而且使其更容易使用。

与以往的基因组编辑技术相比，CRISPR/Cas9在疾病治疗前景优势非常明显：它的设计和制造极其简单，技术门槛很低（只需要设计一段几十个碱基构成的CRISPR序列）；它的打击效率非常高，甚至可以实现一次发射、多重打击（可以一次基因治疗使用多个CRISPR片段，同时修改几个疾病位点）；它的打击方式更加多样化（人们已经证明，使用CRISPR、Cas9技术，可以对特定基因组位点实现删除、修复、替换等等功能）。

2012年6月8日，Jennifer A. Doudna和Emmanuelle Charpentier向科学杂志提交了论文，仅在二十天之后该文章就被接收。

自2012年Charpentier和Doudna发现CRISPR/Cas9基因剪刀以来，这种工具被使用的次数激增。它促成了基础研究中的许多重要发现：在植物学方面，研究人员已经能够培育出耐霉、害虫和干旱的作物。在医学方面，新的癌症疗法的临床试验正在进行，能够治愈遗传疾病的梦想即将实现。基因剪刀把生命科学带入了一个新时代，并在许多方面给人类带来了最大的利益。

诺贝尔化学委员会主席Claes Gustafsson说：“基因工具有着巨大的力量，它影响着我们所有人。它不仅彻底改变了基础科学，而且导致了创新作物，并将导致突破性的新医学疗法。”

两名研究者此前已因该突出贡献获得了以色列2020年沃尔夫医学奖，该奖项长期以来被认为是诺贝尔奖的风向标之一。

参考资料来源：

诺贝尔奖官网、生物谷、中国生物技术网、央视新闻、华尔街见闻、医药魔方数据

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