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2020年诺贝尔化学奖解读:基因剪刀都能“剪”什么

发布时间:2022-06-29 12:10:35 阅读: 来源:磨脚器厂家
2020年诺贝尔化学奖解读:基因剪刀都能“剪”什么

10月7日,瑞典诺贝尔奖委员会将2020年的诺贝尔化学奖授予法国女科学家埃曼纽尔庞杰和美国女科学家詹妮弗道德纳,基因修饰方法CRISPR-Cas9,即人们通常所说的基因是我们请着名科普作者张田勘就有关问题向读者解读。

2020年诺贝尔化学奖获得者伊曼纽尔庞杰(左)和詹妮弗莫拉尔纳(右)。

问两位科学家因什么工作获奖?

答许多细菌在细胞内有一个名为“CRISPR-Cas”的适应能力免疫系统,细菌可以检测到病毒DNA并将其消灭。CRISPR-Cas系统有一种叫CRISPR-Cas9的蛋白质,可以用特殊的方法寻找、切断和最后去除病毒DNA。

CRISPR-Cas9现在是比较正确、切断速度快的基因剪刀,对动物、植物、微生物的DNA进行目的编辑加工(切断、删除、位移、增加等),治疗疾病,特别是遗传病,可以得到人们想要的作物和生物制品

今年的诺贝尔化学奖之所以授予夏庞杰和道德操守者,是因为证明了CRISPR-Cas9基因剪刀的正确性和有效性。

沙庞杰首先在对人类造成巨大伤害的细菌化脓性链球菌的研究中发现了迄今为止鲜为人知的分子tracrRNA。研究表明,tracrRNA是细菌古老免疫系统CRISPR-Cas的一部分,该系统通过切断噬菌体DNA解除武装,抵抗噬菌体DNA的细菌入侵。2011年,夏庞杰发表了她的研究结果。

也就是说,同年,夏庞杰与RNA知识丰富的资深生物化学家道德纳合作,取得了划时代的成果。在2012年6月发表的论文中,两位女科学家发现她们的团队纯化了Cas9蛋白,发现是双RNA诱导的DNA内切酶,首次在体外(试管)使用Cas9的CRISPR系统切断了任意的DNA链另外,她们简化了基因剪刀的分子成分,制作了CRISPR-Cas9基因剪刀,所以更容易使用。用最先把细菌天然免疫系统转换成CRISPR-Cas9的基因剪刀,具有任意切断基因的功能。

之后,沙庞杰和道德分子成功地用CRISPR-Cas9基因剪刀编辑了大肠杆菌的基因,表明CRISPR-Cas9比以前的其他基因剪刀更有效和准确。基因剪刀不仅有一种,还有很多,至今为止很多科学家发现开发了ZFNs和TALENs等很多种类,但这些剪刀没有CRISPR-Cas9那么好用。

CRISPR-Cas9基因剪刀的发明,还有什么科学家做出了贡献?

事实上,CRISPR-Cas和CRISPR-Cas9的发现和发明不仅是两个获奖者的贡献,而且是许多科学家不断研究和互相印证的结果。

美国《细胞》杂志回顾了CRISPR技术的初期发展过程及其所在地,同时美国麻省理工大学-哈佛大学博德研究所所长埃里克兰德也总结了CRISPR-Cas基因编辑技术的发明过程。从1987年日本学者石野良纯团队的偶然发现,到后来西班牙科学家弗朗西斯科莫伊卡、荷兰科学家范德奥斯特等一系列工作,在发明CRISPR-Cas9这种高效简单的基因组编辑技术的道路上,做出了贡献的科学家松鼠

特别值得一提的是,2013年1月,麻省理工大学教授、华裔科学家张锋和哈佛大学医学部教授乔治丘奇同时在《科学》上分别发表论文,证明CRISPR-Cas9可以编辑哺乳动物细胞基因,几周后,道德操守研究所也发表了同样的结果。

因此,张锋发现CRISPR-Cas9可以应用于人类细胞,也有可能获得诺贝尔奖,张锋和道德纳等人过去经历过很多关于CRISPR-Cas9技术应用的专利诉讼,双方胜负。另外石野良纯首先发现CRISPR-Cas也有获奖的可能性,另外西班牙的摩卡应该首先认识到CRISPR-Cas的重要性,从结构到功能的发表都做出了出色的贡献,获奖。

但是,诺贝尔奖委员会表示,每个人在发现CRISPR-Cas9基因剪刀的过程中对夏庞杰和道德的贡献不大,只有他们俩的成果是最重要的核心贡献。所以这次诺贝尔化学奖既不是创始人也不是扩张者,而是授予了开发最重要核心技术的人。

问为什么说基因剪刀有重要的应用价值?

答案CRISPR-Cas9作为比较正确高效的基因剪刀,广泛应用于生物、医学、农业、化学等各种领域。该基因剪刀可以用于删除、追加、激活和抑制其他生物体的目的基因,如人、小鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫、农作物细胞内的基因,因此是非常广泛的生物技术。

在农作物方面,可以利用这种基因剪刀生产抵抗霉菌、害虫和干旱的农作物,取得了很多成果。2019年,肯尼亚国际热带农业研究所科学家雅因达特拉特帕斯小组使用基因剪刀CRISPR-Cas9切割了大香蕉基因组的病毒DNA,避免了香蕉引起条纹状的疾病。与未编辑的大香蕉相比,编辑的大香蕉中有75%没有出现香蕉条纹病毒的症状,这意味着即使面临干旱压力,也能保护香蕉免受病毒的侵害,实现生产和增产。

在改造动物基因方面,基因剪刀也显示出了重要的价值。中国南京医科大学生殖医学国家重点实验室等机构的研究小组利用CRISPR-Cas9基因剪刀首次在世界上创造和培养了两只靶基因编辑猴子。制作靶基因编辑猴子的目的是建立猴子疾病模型,以模拟人类,试验药物,治疗遗传病,药物研究和降低人类实验的风险。研究者用CRISPR-Cas9基因剪刀修改了三个基因。这三个基因分别是调节代谢的基因Ppar-、调节免疫功能的基因Rag1、调节干细胞和性别决定的基因。研究者在180多个单细胞期猴子胚胎中同时靶向编辑这三个基因,然后对15个胚胎的基因组进行测序,结果发现其中8个胚胎显示了两个靶基因同时变异的证据。这两个基因是调节代谢的基因Ppar-和调节免疫功能的基因Rag1。之后,研究者将这种遗传修饰的胚胎转移到怀孕母猴的体内,其中一只产下了双胞胎猴子。检测双胞胎猴子的基因组时,发现这些DNA中确实存在两个变异的靶基因,因此将这两只猴子称为靶基因编辑猴子。

2014年,美国贝勒医学院教授张普民研究小组也用CRISPR-Cas9基因剪刀制作了产生人白蛋白的基因编辑猪。2016年初,包括张锋在内的许多研究机构的团队利用CRISPR-Cas9基因剪刀治疗动物杜兴氏肌萎缩症遗传病,结果提高了预期寿命和生活质量。这显然是治疗人杜兴氏肌萎缩症的动物实验。

另外,邱奇团队利用CRISPR-Cas9基因剪刀大量编辑猪基因,去除猪基因中对人有害的微生物,成长为可供人类使用的器官,解决了不需要人体器官移植的现状。

问基因剪刀技术的应用有什么风险?

答CRISPR-Cas9基因剪刀也有短板和缺陷。最大的短板可能会在DNA错误的位置切断,或脱离原来的设计目标,从而引起意外的伤害。如果是用于治疗人的疾病,可能会导致无法预防的严重后果。

2018年9月,《自然方法》杂志指出,在对小鼠的实验中,CRISPR-Cas系统可以可靠地矫正导致失明的基因,治疗小鼠失明。但是,在接受基因剪刀治疗的小鼠2只基因组中,存在1,500个以上的单核苷酸变异和100个以上更大的基因片段的缺失和插入。这是脱靶的结果,可能危及老鼠的生命。

CRISPR-Cas9基因剪刀有很大的应用前景,但应用时有很大的风险,需要受人类伦理和法律的监督。

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