2020年诺贝尔化学奖:基因编辑,众望所归

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2020-10-08 12:21科学领域创作者
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北京时间10月7日傍晚,诺贝尔委员会宣布,2020年诺贝尔化学奖被授予给Emmanuelle Charpentier和Jennifer a . Doudna,以表彰她们“开发出一种基因组编辑方法”——CRISPR/Cas9基因剪刀。这也是诺贝尔化学奖首次被两位女性科学家共享。

利用这项技术,研究人员可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。这项技术还对生命科学产生了革命性的影响,正在为新的癌症疗法做出贡献,并可能使治愈遗传性疾病的梦想成真。

“这项基因工具蕴含着强大的力量,影响着我们所有人。它不仅彻底改变了基础科学,而且推动了创新作物的诞生,未来还将会为突破性的新医学疗法指明方向,”诺贝尔化学委员会主席Claes Gustafsson说。

上海农业科学院生物技术研究所研究员唐雪明表示心情很激动:

“祝贺两位女科学家!过去的3年,我都在期待基因编辑技术能获得实至名归的诺贝尔奖,基因编辑技术在过去几年里中在多领域的实践都取得激动人心的成果。今年这个愿望终于实现了。

两位女科学家获奖是众望所归,再加一个张锋应该也是实至名归。自从他第一个编辑了哺乳动物细胞以来,对基因编辑技术进步的贡献真是无人能及!好可惜!我理解委员会还是把这个基因编辑技术的奖给了两位切第一刀的人,而且解析了怎么切,在哪切。诺贝尔奖关注的是第一发现者,绝对原创性,比如屠呦呦获奖,田中耕一获奖都是这样。无论如何,祝贺基因编辑技术获奖!”

众望所归的两位获奖者

Emmanuelle Charpentier

埃曼纽尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier),法国微生物学、遗传学和生物化学教授和研究员,目前在德国柏林马克斯·普朗克病原学研究所工作。

她的大部分研究都有一个共同对象:致病细菌。它们为什么这么好斗?它们如何发展对抗生素的抵抗力?是否有可能找到可以阻止其进展的新疗法?

2002年,卡彭蒂耶在维也纳大学成立了自己的研究小组,专注于对人类造成最大伤害的细菌之一:化脓链球菌。每年,它感染数以百万计的人,经常引起扁桃体炎和脓疱疮等可治愈的疾病。但是,它也可能导致危及生命的败血症并破坏体内的软组织,被冠有“食肉者”的可怕称号。

为了更好地了解化脓性链球菌,夏彭蒂尔首先彻底研究了这种细菌的基因是如何调控的。这项决定是发现基因剪刀的第一步。

卡彭蒂耶以破译细菌CRISPR / Cas9免疫系统的分子机制并将其重新定位为基因组编辑工具而闻名。她发现了一种非编码RNA成熟的新机制,该机制在CRISPR / Cas9的功能中至关重要,还证明了一种被称为tracrRNA的小RNA对于crRNA的成熟至关重要。

Jennifer a . Doudna

詹妮弗·杜德纳(Jennifer a . Doudna),美国生物化学家,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。

在2012年,杜德纳和她的同事们在链球菌细菌“ CRISPR ”免疫系统中发现的一种名为Cas9的蛋白质,该蛋白质与引导RNA协同工作,像剪刀一样起作用。这种蛋白质会攻击目标病毒的DNA并将其切成薄片,从而阻止其感染细菌。该发现减少了编辑基因组DNA所需的时间和工作。

杜德纳在生物化学和遗传学方面也做出了重要贡献,例如她通过对核酶的X射线晶体学研究确定了其结构。

基因剪刀:重写生活准则的工具

如果研究人员想要了解生命的内部运作原理,则必须掌握修改细胞中基因的能力。

这曾经是一项费时费力,有时甚至是不可能的工作。但现在有了CRISPR/Cas9这把基因剪刀,研究人员可以在几周的时间内改变生命密码。

CRISPR/Cas9技术诞生于2012年,其原理如同用剪刀剪切DNA,然后插入或重新排列基因代码。

Cas9是一种内切酶,能剪切DNA双螺旋结构的两条链。有些内切酶会随机剪切DNA长度的任何位点。其他内切酶会寻找特定的DNA序列,然后剪切那个位点。然而,同样的序列会在基因组中多次出现,因此无法用限制性内切酶来剪切特定的一个位点。

和限制性内切酶不同,细菌性Cas9能剪切特定的一个位点,被剪切的DNA序列是指定的。Cas9与CRISPR系统关联起来,后者使用一种小片段RNA来引导Cas9作用于靶位点。

在自然界,这种小片段RNA通常用来抵御病毒(噬菌体)序列。Cas9寻找病毒序列,然后剪切它,因此CRISPR系统是细菌抗病毒防御机制的一部分。

不过,这种引导Cas9的小片段RNA可以用研究人员选定的一个序列代替。CRISPR系统的一个好处在于,你可以提供不止一种引导分子,意味着你可以指导系统剪切不止一个位点。CRISPR系统能够确定它要剪切的DNA序列,但脱靶编辑仍然时有发生,科学家们一直在想办法解决这个问题。

就像在科学上经常发生的那样,CRISPR/Cas9发现纯属偶然。埃曼纽尔·卡彭蒂耶在化脓性链球菌(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。她研究发现,tracrRNA是细菌古老免疫系统CRISPR/Cas的一部分,通过裂解病毒的DNA来消灭病毒。

2011年,卡彭蒂耶在发表了这一发现。同年,她开始与詹妮弗·杜德纳合作。杜德纳是一位经验丰富的生物化学家,对RNA有深刻的了解。她们的最初想法是开发一种新形式的抗生素,最后却成功地在试管中再造了细菌的基因剪刀,并简化了剪刀的分子组成,使其更容易使用。

在一个划时代的实验中,两人对基因剪刀重新编程,使其在自然形态下可以从病毒中识别DNA,在一个预定的位置切断任何DNA分子。在DNA被切断的地方,就很容易改写生命密码。

自CRISPR/Cas9基因剪刀2012年被发现后,这项技术被广泛应用于各项领域。

现在,生物化学家和细胞生物学家可以轻松地研究不同基因的功能及其在疾病进展中的可能作用;

在植物育种中,研究人员可以赋予植物特定的特征,例如在温暖的气候下抵抗干旱的能力;

在医学上,该基因编辑器为新的癌症疗法和试图治愈遗传性疾病的首批研究做出了贡献。

除了上述优点之外,这把基因剪刀也很可能被滥用。例如,该工具可用于创建转基因胚胎。但是,多年来,有控制基因工程应用的法律和法规,其中包括禁止以允许遗传改变的方式修改人类基因组。另外,涉及人畜的实验必须在进行之前得到伦理委员会的审查和批准。

可以肯定的是,这种新工具可能有助于解决人类目前面临的许多挑战,也将带来新的道德问题,把生命科学带入了一个新时代。

一线科学家演讲带你深入了解「基因编辑」

中科院研究员吴立刚:为了更美、更强、更聪明,你愿意冒死修改自己的基因吗?

什么是基因编辑?基因编辑的优点与风险是什么?为什么说基因没有好坏之分?我们知道人类的遗传信息都是存储在DNA中,而DNA是由ATCG四种核苷酸来编码遗传信息。人类的基因组里一共有30亿个碱基,30亿个核苷酸,可以编码两万五千个基因,而每一个基因都编码一种蛋白质。

蛋白质是我们生命活动的执行者,它不仅组成了我们的身体,也决定了我们如何运动和思考。因此,基因上的差别会造成我们每个人的差异。而一旦这些基因发生突变,就会导致一些遗传疾病。

但如果我们能想办法将突变的那个碱基纠正的话,就意味着可以治疗这种疾病。所以,科学家一直对基因编辑技术非常着迷,只是苦于长时间无法突破。

突破的难度在哪呢?打个比方,如果我们要把这30亿条的遗传信息印在书上的话,那么需要印一千本书,每本一千页,每一页上有三千个字母。更要命的是,这一千本书还必须得装在一个只有千分之一毫米的细胞核里面。大家试想一下,从这些基因里找出有突变的那个碱基,就好比是在一千本《射雕英雄传》里找到一个错字

但是科学家的创造力是无穷的。2012年,基因技术有了重大的突破。三位科学家发明了一种新的技术,叫CRISPR。这一技术自诞生起,就成为了应用最广泛的基因编辑技术。

罗永伦2016年曾在造就舞台上预言,基因编辑拿诺贝尔是迟早的事情

我的博士课题研究,当时我想构造一个能够模拟人乳腺癌的克隆猪模型,当时用的还是传统的基因打靶技术,花了两年。把第一头小猪做出来我还是很兴奋的,一个人在猪场睡了3天,为了陪小猪。

2013年我们利用了第二代基因编辑技术,也就是TALEN,花了一年就构造出一个糖尿病猪。

这头猪现在已经配合药企在进行一些药物的检测和研发。

现在我们团队跟美国哈佛医学院的George Church教授和杨璐菡博士一起合作开发未来可以用于人体器官移植的克隆猪。

这项工作我们现在当然还没有达到临床应用的要求,因为它还需要解决几个问题。

我们现在最起码已经接近把一个问题完全解决:如何把猪内源性逆转录病毒给去除掉。

猪基因组中也携带内源性逆转录的病毒,它移植人体之后,可能会把这些病毒传到人类身上去,我们可以通过基因编辑的方法,把这些内源性病毒基因给去除掉,我们现在已经获得了比较成功的模型。

除此之外,我们还将继续解决如何避免在猪的器官移到了人的身上之后,会引起的免疫排斥反应。

第三个尝试是,我们想构建不会得疾病乃至癌症的猪。我们希望在未来能够解决人体移植器官缺乏的问题,让它立等可取。

“数说”诺贝尔化学奖

111次颁奖1901年以来,诺贝尔物理学奖共颁发过113次。其中有六个年份没有颁发过诺贝尔物理学奖,分别是1916、1931、1934、1940、1941和1942年。

根据组委会的章程,在1901年至2019年之间,共颁发了111项诺贝尔化学奖。

自1901年以来,诺贝尔物理学奖共颁发过111次,其中有8个年份没有颁发过诺贝尔化学奖,分别是1816年、1917年、1919年、1924年、1924年、1933年、1940年、1941年和1942年。

为什么那些年没有授予化学奖?根据诺贝尔组委会的章程规定,如果候选人的研究没有达到一定要求,那么奖金将被留至下一年。如果第二年仍然没有合适人选,奖金将被加入到基金会的初始资金中。

在两次世界大战期间,因为战争关系,化学方面的突破较少,所以诺贝尔化学奖经常缺席。

183位获奖者自颁布以来,诺贝尔化学奖被授予给184位在化学领域做出卓越贡献的获奖者。因为弗雷德里克桑格曾两次获得诺贝尔化学奖,所以全世界共有183人获得过诺贝尔化学奖。

其中,诺贝尔奖有63次是个人单独获得,23次是两人共享,25次是三人共享。

没有过,也不会出现三人以上共享诺贝尔化学奖的场景。因为诺贝尔基金会章程规定:“奖金数额可以在两件作品之间平均分配,每件作品都应被视为获奖。如果奖励作品是由两个或三个人制作的,则应共同奖励。在任何情况下,奖金数额均不得超过三人。”

97岁与35岁在诺贝尔化学奖的获奖者中,所有的获奖者都不算太年轻。

年龄最大的诺贝尔化学奖获得者是约翰·B·古德诺,是一位著名的固体物理学家,锂离子电池的奠基人之一,通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系,设计新材料解决材料科学问题,被业界称为“锂电池之父”,他在2019年获得化学奖时已经97岁。

最年轻的诺贝尔化学奖得主是弗雷德里克·乔里奥特, 1935年他和妻子因发现人造放射性而被授予了诺贝尔化学奖,时年35岁,在一众诺贝尔奖得主中算得上青年才俊。

乔里奥特与妻子伊雷娜·约里奥-居里

5位女性获奖者除今年之外,在获得诺贝尔化学奖的183人中,仅有5位女性。

1911年,玛丽·居里因发现元素钋和镭获奖(1903年获得了诺贝尔物理学奖)。

1935年,伊雷娜·约里奥-居里(玛丽·居里的女儿和最年轻的诺贝尔化学奖得主弗雷德里克·乔里奥特的妻子)因发现人工放射性物质获奖。

1964年,多萝西·克劳福特霍奇金因通过X射线分析出分子构造获奖。

2009年:阿达·约纳特因核糖体的结构和功能研究获奖。

2018 年:弗朗西斯·阿诺德因实现了酶的定向转化获奖。

百年诺贝尔:化学?物理?生理?傻傻分不清

1901年,诺贝尔奖首次被颁发。

第一位诺贝尔化学奖的得主是雅各布斯·亨里克斯·范托夫,因发现了溶液中的化学动力学法则和渗透压规律,以及对立体化学和化学平衡理论作出的贡献而获奖。

荷兰化学家雅各布斯·亨里克斯·范托夫

而这个世纪之交的节点,也恰巧是化学史上的转折点。

处在科学中心的化学学科,既与物理学接壤,从物理学学科中获取了理论基础,又与生物学接壤,因为生物体拥有着世界上最复杂的化学系统。

因此,20世纪化学领域的初蓬勃发展,很大程度上要归功于物理学的发展,同时又与生物学有着脱不开的关系。

1897年,剑桥大学的约瑟夫·约翰·汤姆森爵士宣布发现电子,这些带负电荷的“微粒”,质量比氢原子小1000倍,并因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。

约瑟夫·约翰·汤姆森

19世纪90年代,曾在汤姆森实验室工作的欧内斯特卢瑟福,在汤姆森发现的基础上,于1911年制提出了一种原子模型:原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。这一模型也被称为“行星模型”。

卢瑟福提出的原子模型

但是,人们很快发现,在卢瑟福的原子模型中,电子会以电磁辐射的形式失去能量,最终落入原子核,不符合经典物理定律。

1913年,哥本哈根的尼尔斯·玻尔提出了另一种原子模型。在这个模型中,当电子从一个轨道转移到另一个轨道时,光被发射(或吸收)。玻尔因其在原子结构方面的研究而获得1922年的诺贝尔物理学奖。

1912 年玻尔寄给卢瑟福的“曼彻斯特备忘录”中关于构造成简单分子的原子可能的构型图

1916年,上述物理学理论开始被应用到化学领域。吉尔伯特·牛顿·路易士提出,原子间的强(共价)键涉及到原子间共享两个电子(电子对键)。但路易士并未因这一发现获得诺贝尔化学奖。事实上,他曾41次获得诺贝尔化学奖提名,但从未真正摘得桂冠,这也成为诺贝尔奖历史上的巨大争议之一。

19世纪90年代,在化学与物理交界的地带,涌现了很多重大发现。

实际上,在最初的十年中,三位诺贝尔化学奖的获奖者,雅各布斯·亨里克斯·范托夫,斯万特·奥古斯特·阿累尼乌斯和威廉·奥斯特瓦尔德,通常被认为是化学的新分支——物理化学的奠基人。

此外,委员会还对化学的另一边界,展现出极大的开放性和远见。1907年,生物学家爱德华·比希纳因为发现无细胞发酵,被授予了诺贝尔化学奖。

因为化学与物理、生物的密切关系,经常会出现同一名候选人同时获得化学奖、物理学奖、生理学或医学奖的提名

这个问题早在1903年就出现了,当时阿累尼乌斯既被提名了化学奖,也被提名了物理学奖。

化学委员会提议授予他每个奖项的一半,但这个想法被物理学委员会否决了。

由于这种边界问题,当今的化学委员会与物理学,生理学或医学委员会需要举行联席会议。然而,正如韦斯特格伦所说:“重要的是,那些可以被视为化学、物理和生理和医学领域的工作,实际上是否值得一个诺贝尔奖。”

(本文未经造就授权,禁止转载。)

编译 | 田晓娜

参考 | 诺奖官网

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