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2020诺贝尔化学奖:CRISPR之争!

2020年诺贝尔化学奖授予了埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳 ( Jennifer Anne Doudna),获奖原因是因为名为CRISPR 的新基因编辑方法。各大媒体相继刊登了,张锋赢得专利、憾失诺奖的报道,今天小编来讲讲CRISPR的故事。


奥利弗·史密斯(Oliver Smithies),遗传工程的奠基人之一,2007年的诺贝尔生理或医学奖。

遗传病难治,根本原因是遗传物质,也就是基因的位置不对或转录包装错误。如果能让错误的基因修改,就能治好遗传病。只是科学家一直没有找到合适的方法,21世纪初:一个是Sangamo公司主导研发的“锌指核酸酶”(Zinc-finger nucleases,ZFNs),另一个则是由全球众多科学家一点一点捣鼓出来的“转录激活因子样效应物核酸酶”(transcription activator-like (TAL) effector nucleases,TALENs)。原理就是,人工合成一些DNA,并且故意把这些DNA序列设计得和某个基因的序列有点像,然后将它们塞到细胞里面去。细胞就拿“假模板”张冠李戴地修复了真的基因,把基因“修复”成了科学家所希望的样子。奥利弗·史密斯(Oliver Smithies)的贡献就是如此。


弗朗西斯科.莫伊卡(Francisco mojica),CRISPR系统的第一个发现者。

ZFNs和TALENs都由两个部分融合组成,其中一部分认基因特别准但是不懂破坏,另一部分破坏力超群但是脸盲,不能很好的实际使用,这给CRISPR的发现,提供了一个契机。

西班牙科学家弗朗西斯科.莫伊卡发现了细菌和古菌当中广泛存在一种免疫机制,可以记住之前感染过它们的病毒的基因特征,从而展开针对性的防御。这种厉害的免疫机制就被命名为“规律成簇间隔短回文重复”(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats),简称 CRISPR。

图1:基因编辑技术的基本原理


埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳 ( Jennifer Anne Doudna), 证明 CRISPR 可以作为基因编辑工具。

“A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity。”(可编程的双RNA引导的DNA核酸内切酶在适应性细菌免疫中的应用)。

她们发现并证实了来自化脓链球菌的spCas9蛋白的CRISPR系统,最适合做基因编辑工具,并用它成功编辑了大肠杆菌基因。CRISPR进军基因编辑领域的第一枪打响了。

张锋,麻省理工学院年仅30岁的华人科学家,第一个用CRISPR/Cas9编辑哺乳动物细胞基因组。

张锋团队借助司法解释,把CRISPR的专利更早获得通过,并宣布对学术界开放CRISPR/Cas9基因编辑的专利,只要研究不是出于商业目的,就可以随意免费的使用;并且把自己的研究资源共享到Addgene,免费分发给整个学术界。几年下来,张锋在基因编辑领域一哥的地位几近无可撼动。埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)、詹妮弗·杜德纳 ( Jennifer Anne Doudna)和张锋在CRISPR的发现和应用方面,贡献巨大,被称为CRISPR三巨头。

图2:CRISPR三巨头

CRISPR之争

三人在争夺专利和生物科学领域大奖,也是异常激烈。虽然埃马纽埃尔·卡彭蒂耶、詹妮弗·杜德纳在专利的申请上吃了亏。但实际上,近年来的科学大奖一直更认可她们。2015年的科学突破奖、2016年的阿尔珀特奖、2020年的沃尔夫奖,均未授予张锋。2016年唐奖、2016年盖尔德纳国际奖,则是三人共同获得。

2020年10月7日,诺贝尔化学奖公布获奖名单,CRISPR众望所归摘下诺奖桂冠,詹妮弗·杜德娜和埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶收获诺奖,然而,获奖者中并无张锋。

如今三人各自的公司都已上市,三家公司均在CRISPR基因编辑治疗遗传病领域取得了许多突破,张锋的Editas Medicine已开始基因编辑治疗先天性黑蒙症10型的临床试验。

卡彭蒂耶的CRISPR Therapeutics公司,在CRISPR基因编辑治疗β地中海贫血和镰状细胞病这两种罕见遗传病的临床试验中也取得了非常好的效果。

CRISPR/Cas9的无限潜力

CRISPR/Cas9 作为定点破坏基因方面最强大也最便宜的工具,大大降低了基因编辑的成本与技术门槛。现在,任何科学家想要研究一个动物基因,只需大手一挥:“给我把这个基因敲了!”“给我把那段DNA序列塞到这个基因里!”不消半年,就能“定制”一批基因修饰动物出来做研究。当年砸大钱问公司买动物模型的历史,已经一去不复返。

CRISPR/Cas9开始了在遗传病、肿瘤、罕见病诊断的广泛尝试。


2013年12月,李劲松研究组和Hans Clevers研究组利用CRISPR/Cas9系统分别校正了小鼠白内障及人干细胞中一种与囊肿性纤维化相关联的基因缺陷。同时,研究者通过向人类细胞转染慢病毒包装的sgRNA库,实现了对基因组范围的功能性筛选。


2015年4月,黄军就和团队首次修饰人类胚胎DNA,为治疗一种在中国南方儿童中常见的遗传病——地中海贫血症提供了可能。


2016年7月,四川大学华西医院肿瘤学教授卢铀团队宣布将开展“全球第一例”CRISPR–Cas9基因编辑人体临床试验,同年10月28日,首名癌症患者接受了经CRISPR技术改造的T细胞治疗;后来又有报道称,早在2015年,位于安徽合肥的解放军第105医院就已经开始了CRISPR人体试验。


2019年9月15日,复旦大学附属华山医院张文宏教授团队与中国生物技术企业微远基因合作,基于CRISPR体外诊断技术,联合开发结核分枝杆菌快速检测方法CRISPR-MTB,并首次对该检测方法进行临床验证,研究成果被SCI杂志《Emerging Microbes & Infections》接收(2019年最新影响因子6.2)CRISPR-MTB,有望革新现有结核诊断方式,成为新一代结核诊断工具。


该检测系统使用识别双链DNA、切割单链DNA的Cas12a核酸内切酶,联合使用等温扩增技术,达到可低至近单拷贝级别(或50 CFU/ml)的敏感性,同时仅需500ul的样本进行检测。CRISPR-MTB检测具有优于培养(79% vs 33%)和GeneXpert (79% vs 66%)的灵敏度和同等的特异性。


“CRISPR-MTB的检测用量更低,与耗时更长的培养或2个小时的Xpert 检测时间相比,检测时间缩短至1.5小时,并且具有实现床旁即时检测的应用潜力”-微远基因首席技术官许腾博士。

结语

CRISPR技术,虽然潜力巨大、发展迅速,但仍然尚未成熟,有引发免疫反应的风险,目前还较难在快速推进与保证安全性之间找到理想的平衡点。因此,要利用好这把双刃剑,要求与之相适应的基因编辑法规和伦理同时发展,平衡其潜在的疗效和风险。

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