近日，紐約大學朗格尼醫學中心的研究人員將一個經過基因編輯後的豬的腎臟與一名處於腦死亡狀態的人類志願者的大腿血管連線在一起，豬腎臟很快產生尿液和排洩廢物，並正常工作了54個小時。該異種器官移植上的突破性進展展示了基因編輯技術用於挽救生命的潛力。
2020年諾貝爾化學獎頒給了開發出CRISPR/Cas9基因編輯技術的兩位女性科學家，這一技術具有低成本、強易用性和高效率的特點，促進了生命科學的突破性發展，也使它擁有了巨大的商業價值。本文回顧了2020年諾貝爾化學獎兩位得主的科研歷程和基因編輯領域的成就，並提出了相關的思考和啟示。
2020年10月7日，瑞典皇家科學院宣佈2020年諾貝爾化學獎授予馬克斯·普朗克病原學研究室的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Marie Charpentier）教授和加州大學伯克利分校的珍妮弗·杜德納（Jennifer Anne Doudna）教授，以表彰她們“開發出一種基因編輯方法”。
埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（左）和珍妮弗·杜德納（右）
CRISPR/Cas9“基因剪刀”是基因編輯技術中最強大的工具之一，具有成本低、易用性強和效率高等特點，為整個生命科學的發展帶來了無限可能。
科研歷程
- 杜德納的生命科學之旅
珍妮弗·杜德納，1964年出生於美國華盛頓特區，在父母的鼓勵下，杜德納從小便熱愛探索。
受高中時一場關於細胞癌變的講座影響，她進入加州波莫納學院學習生物化學，畢業後進入哈佛醫學院，在傑克·紹斯塔克教授指導下讀博，期間改造了催化性RNA，使之具有自我複製能力，為證明RNA是早期生命的基礎提供了依據。
1991年，杜德納進入科羅拉多大學博爾德分校做博士後，致力於RNA微觀構造研究；1994年，加入耶魯大學分子生物物理與生物化學系擔任助理教授；2000年擔任教授並受邀為哈佛大學客座教授；2002年進入加州大學伯克利分校。
在加州大學伯克利分校，杜德納開始接觸與CRISPR相關的研究。
她注意到，CRISPR結構中非重複的序列部分可能與多種病毒的遺傳基因相關，細菌在自身RNA中保留病毒的遺傳密碼，作為對抗宿敵留下的記錄，併成為免疫系統的一部分，來保護自身免受病毒的下一次侵害。
這一功能的機制同杜德納正在研究的RNA干擾非常相似，為了解其運作的原理，她的團隊開始關注一種與CRISPR相關的特殊基因——Cas。
幾年後，他們成功揭示了數種不同Cas蛋白質的功能，發現其作用機理非常複雜，需要多種不同種類的蛋白質共同作用才能夠分解侵入體內的病毒，這種系統的複雜性使得杜德納也感到難以理解。
- 卡彭蒂耶的輾轉研究之路
卡彭蒂耶，1968年出生在法國朱維西，1986年進入巴黎第六大學學習生物化學、微生物學和遺傳學；1992年進入法國巴斯德研究所攻讀博士，研究抗生素抗藥性分子機制；後進入紐約洛克菲勒大學，在托馬寧教授的實驗室做博士後，研究病原體肺炎鏈球菌利用其可移動基因原件改變其基因組的原理，同時嘗試闡述肺炎鏈球菌如何產生萬古黴素耐藥性。
而在過去20餘年的科研生涯中，卡彭蒂耶曾在5個國家、7個城市的10餘家不同機構任職，從依賴短期資助經營自己的小實驗室，到建立更為理想的科研平臺，她的堅持為她帶來了回報。
2008年加入于默奧大學，是她研究飛速進展的開端，她在對化膿性鏈球菌的RNA測序時曾注意到，這種細菌中存在某種未知小分子RNA，進一步的研究發現，其基因序列的一部分竟然與自身基因組中的特有CRISPR序列相匹配。
儘管此前並未接觸過CRISPR的研究，但她與團隊迅速開始工作，繪製了化膿性鏈球菌CRISPR系統圖譜。
化膿性鏈球菌的CRISPR/Cas系統屬於II型，僅需要一個Cas蛋白（Cas9）即可裂解病毒DNA。
卡彭蒂耶也認識到，細菌基因組中的CRISPR與Cas蛋白質裂解病毒DNA的過程，必須有這種小分子RNA（tracrRNA）才能夠被啟用。
上述成果於2011年3月發表在Nature上[1]，根據多年在微生物學方面的研究經驗，她知道一些激動人心的事情將要發生了。
- 波多黎各的相遇
在文章發表後，卡彭蒂耶受邀參加美國微生物學會舉辦的學術會議，由此結識了杜德納，兩人決定共同開展CRISPR/Cas9系統的研究。
合作很快就取得了突破性的成果，她們發現當細菌受到“入侵”時，CRISPR序列會轉錄出precrRNA（crRNA的前體）和tracrRNA，兩者相結合形成複合物，隨後pre-crRNA被加工為帶有單個病毒密碼的成熟crRNA（CRISPR-derivedRNA），與一同加入連線佇列的剪下蛋白Cas9共同形成天然的“基因剪刀”，遊走在細菌細胞中，識別病毒感染並對其進行精確切割。
隨後，她們嘗試簡化此結構，透過設計將tracrRNA與crRNA分子合二為一，並修改其中負責記憶的部分，使之與需要被切割的DNA位點相匹配，最終實現了在確定的位置精確切割DNA。
- 令人喝彩的大勝利
截止到2021年9月6日，卡彭蒂耶和杜德納於2012年在Science發表的CRISPR/Cas9基因編輯技術的論文[2]總被引次數為7332。
CRISPR/Cas9技術論文引用次數統計
經過大量研究，CRISPR/Cas9基因編輯技術已在不同學科催生出很多重大成果。
如在植物研究領域，已用於開發耐乾旱、嚴寒或者黴菌蟲害的作物；在動物研究領域，嘗試製造抗病豬，以及透過設計使豬具有含功能性人類細胞或組織的嵌合器官以用於人類器官移植；在微生物領域，可對釀酒酵母的基因組進行編輯；在醫學領域，正在開展與“基因剪刀”技術相關的癌症新療法臨床試驗，有望用於治癒遺傳性疾病。
卡彭蒂耶和杜德納的研究工作也為她們贏得了多個國際獎項，除諾貝爾化學獎外，她們還獲得了2014年保羅·詹森博士生物醫學研究獎、2015年生命科學突破獎、2015年格魯伯遺傳學獎和2016年加拿大蓋爾德納國際獎；卡彭蒂耶還於2016年獲得德國研究基金會的萊布尼茨獎，並當選為瑞典皇家科學院院士。
思考與啟示
- 掌聲為了誰？
當我們慶賀CRISPR/Cas9的獲獎時，也應想到這掌聲不僅僅是為了卡彭蒂耶和杜德納兩個人，更是為了她們所代表的科研中的女性力量以及她們專注於基礎研究的科學精神。
卡彭蒂耶和杜德納獲得諾貝爾化學獎，不僅是對CRISPR/Cas9技術價值的認可，同時也是對她們所代表的女性科研人員的肯定。
“尤其是對於年輕女性來說，看到女性的工作能夠像男性一樣得到認可，這太棒了”。杜德納表示，“我認為對於許多女性來說，總是有一種感覺，她們的工作很難像男士一樣得到認可，我們一直在期待著這種現狀被改變，當然，我們現在就走在正確的路上”。
卡彭蒂耶也認為，自己得到認可，對於想要開始並長時間從事科研工作的年輕女性來說是一個非常積極的資訊。
當女性科研工作者能夠受到與男性同樣的認可與期待，她們完全能夠做出毫不遜色的科研成果以回饋社會。
正在從事不被看好或曾經不被看好的基礎研究的科學家也應為此慶祝。
應用研究固然有推動社會發展的價值，但探究性的基礎研究亦有不可取代的作用，有時甚至比應用研究更重要。
古細菌中的常見的迴文重複序列簇集看似無用，而據其發現的“基因剪刀”卻深刻改變了生命科學。
諾貝爾獎獲得者薩拉姆也認為，“一個國家，特別是發展中國家要想得到長足的進步與國力的發展，那就必須重視基礎科學”，科學家“需要明智的科學政策，長期的保證，慷慨的資助，以及實行自治和自由的國際交往”。
如此才能更高效地工作，不斷推進國家科學技術的發展，進而提升綜合國力和國際影響力。
- 是勝利還是陷阱？
CERISPR/Cas9技術的發現也引發了許多人的憂慮。
當我們擁有了輕易改造整個種群的基因的能力，控制這種能力就成為一件至關重要的事。
在推動技術發展的同時，兩位技術開發者也表現出了對於CRISPR/Cas9基因編輯技術被誤用的擔心，並嘗試著與多國科研工作者共同推動CRISPR/Cas9技術的研究與應用朝著更加明智的方向發展。
以納帕谷會議為起點，杜德納已在世界各地發表了60餘次演講，以鼓勵人們充分了解並積極參與CRISPR技術應用範圍的討論。
2015年12月，由中國科學院與美國國家科學院、美國國家醫學院和英國皇家學會聯合舉辦的人類基因編輯國際峰會上，與會專家學者達成了協議，包括：允許利用基因編輯技術進行修改人類胚胎或生殖細胞的研究，但嚴格禁止經過修改的生殖細胞繼續生存、發育。
基因編輯技術的影響廣泛且深遠，面對其發展問題，國際社會必須樹立人類命運共同體意識。
後續如何加強技術交流與合作，在法律法規及倫理道德方面達成一致共識，仍需要國際範圍內科學界和社會各界的共同努力與持續溝通。
- 快速商業化是喜是憂？
商業化是推動技術發展的強大動力，CRISPR/Cas9技術迅速發展，其巨大的商業潛力催生了一批公司。
很多傳統大型醫藥公司與CRISPR技術持有者進行合作研發並給予資金支援，此外市場投資方對CRISPR/Cas9技術的商業價值也保持著持續關注。
《CRISPR技術市場概述：從實驗室到產業界2018》中指出，CRISPR/Cas9技術的市場將在生物技術和農業技術領域的應用推動下以44%的年增長率持續，到2023年預計可增長至50億美元。
其中，基因治療作為經濟前景最廣闊的領域，相關募資總額在2018年已達近39億美元，對於該技術未來可能達到的整體市場規模來說，這是一個非常積極的訊號。
但與此同時，大量資本湧入也可能催生一定的問題。
為了追求投資回報、爭奪市場的主導權，資本必將不斷催促科研工作者進行更快速、深入的研發。
在此過程中，如何保證既有的約定不被打破，進而保證CRISPR/Cas9技術的純潔性，是一個需要全球科研工作者和政府部門、國際組織等共同面對的問題。
參考文獻：
[1] Deltcheva E, Chylinski K, Sharma C M, et al. CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III[J]. Nature, 2011, 471(7340): 602-607.
https://www.nature.com/articles/nature09886
[2] Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity[J]. Science, 2012, 337(6096): 816-821.
https://www.science.org/cgi/doi/10.1126/science.1225829
本文作者：陳彪，付小航，朱玥瑋，狄雨萌，吳又進
作者簡介：陳彪，中國科學技術大學科技史與科技考古系，副教授，研究方向為科技史、科技考古；吳又進（通訊作者），中國科學技術大學科技史與科技考古系，副研究員，研究方向為科技史、科技考古。
論文全文發表於《科技導報》2021年第20期，原標題為《埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶、珍妮弗·杜德納：因CRISPR/Cas9“基因剪刀”而獲2020年諾貝爾化學獎的兩位女科學家》，本文有刪減，歡迎訂閱檢視。
