诺奖风向标!CRISPR基因编辑技术两大女神获2020沃尔夫医学奖

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图片来历:视频截图/左为Emmanuelle Charpentier,右为Jennifer Doudna

周一,两位现代基因修改技能的前驱取得了以色列2020年沃尔夫医学奖,这是一个闻名的世界奖项,颁发给对人类做出共同奉献的人。

沃尔夫基金会标明,2020年沃尔夫医学奖颁发詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)和艾曼纽埃尔·查彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier),赞誉两人在开发基因修改东西CRISPR方面所做的奉献。

詹妮弗·杜德纳现为加州大学伯克利分校分子和细胞生物学及化学教授,以及霍华德·休斯医学研讨所的研讨员,她与搭档、德国柏林马克斯·普朗克感染生物学研讨所所长埃马努埃尔·查彭蒂尔共享了这个奖项,因为他们在2012年发明晰CRISPR-Cas9基因修改技能。

依据沃尔夫基金会的一份声明,杜德纳因“经过RNA引导的基因组修改提醒了细菌免疫的医学革新机制”而遭到称誉。“这项革新性的技能有或许铲除曾经无法治好的疾病,并彻底改动遗传学、分子生物学和医学范畴。”

沃尔夫基金会标明,她们的研讨有或许“为发现医治其时不治之症的新办法铺平道路,然后使医学发生革新性的改动”。

基因修改是一种永久改动DNA的办法,能够从本源上处理基因疾病。它还能够广泛用于其他用处——从进犯蚊子身上的疟疾到培养更耐寒的作物。

CRISPR是一种东西,它能在活细胞内精确地找到一段DNA,并将其切片,使科学家能够翻开或封闭基因,修正或替换它们。长期以来,它一向被用于试验室,并在医治癌症和其他疾病的前期测验中。

基金会标明,杜德纳还因其对环绕这项技能的运用所做的品德论说而遭到赞誉。

长期以来,沃尔夫奖被认为是诺贝尔奖的风向标之一。约有36位沃尔夫奖得主取得了诺贝尔奖。沃尔夫基金会每年以10万美元的奖金奖赏5个范畴的艺术家和科学家,以赞誉他们“为人类利益和各国公民友好联系做出的奉献”。

5个范畴的类别包含农业、修建、化学、数学、医学、音乐、绘画、物理和雕塑。

本年的其他获奖者包含数学奖的Yacov Eliashberg和Simon Donaldson;物理学奖的Pablo Jarillo-Herrero、Allan Macdonald和Rafi Bistritzer;艺术奖的Cindy Sherman和农业奖的Caroline Dean。

之前的获奖者包含史蒂芬·霍金、马克·夏加尔(绘画)和保罗·麦卡特尼(音乐)。杂交水稻付出袁隆平曾获2004年度的沃尔夫农业奖。

本年的获奖者将于6月11日在耶路撒冷颁奖。

自1978年以来,沃尔夫奖每年都颁发给那些为人类和公民的友谊做出共同奉献的闻名科学家和艺术家,不管他们的宗教、性别、种族、地理位置或政治立场怎么。

两朵铿锵玫瑰

现代生物技能始于20世纪70年代初,其时研讨人员初次开端切开和拼接生物的DNA,赋予它们令人满意的新基因特征。从那以后,生物技能专家取得了许多成功,但这一成功来之不易。与科学家和企业家的大志比较,基因工程一般本钱昂扬,履行缓慢,效果不确定,在某些生物体上不实用。

与此一同,天然界中最简略的生物悄悄地守护着一种修改基因组的优胜办法,这种办法是它们在数亿年前作为防护手法初次进化出来的。这个隐秘的发现便是一种一般被称为CRISPR的令人目不暇接的高档基因组工程办法,在不到十年的时刻里让生命科学为之振作,并要求科学界明智地运用它。

但要害的打破呈现在2012年,其时由詹妮弗•杜德纳和艾曼纽埃尔•查彭蒂尔领导的来自美国和欧洲的团队展现了怎么将防护体系变成修改基因序列的“剪切和张贴”东西。可是,另一个美国团队打败了她们,取得了在人体细胞上运用这种办法的专利,引发了一场关于优先权的法律纠纷——在2017年2月,美国专利局裁决杜德纳和查彭蒂尔无效。虽然如此,她们两人依然被同行科学家遍及认为是CRISPR的真实前驱。

艾曼纽埃尔•查彭蒂尔1968年出生在巴黎城外,爸爸妈妈一向鼓舞她从事各种学术和艺术活动。她和母亲相同对心理学感爱好,但也喜爱哲学、数学,尤其是医学,早年就立誓要为公民的医疗健康作出奉献。

1986年至1992年,查彭蒂尔在巴黎皮埃尔和玛丽居里大学(UPMC)攻读微生物学、遗传学和生物化学的本科学位。研讨人员的日子很合适她,科学培养了她对大天然隐秘的好奇心,她喜爱作为团队的一员作业。随后她持续进修,在巴斯德研讨所(1992-1995年)和UPMC(1993-1995年)进行研讨生作业,期间她研讨了抗生素耐药性的分子机制。这也引导她进行了相关的研讨,研讨细菌在感染宿主的过程中怎么与周围环境相互效果。

“在我的职业生涯中,我一向在开发东西来进步遗传学研讨的准确性,不管是在细菌仍是老鼠身上。” 查彭蒂尔解说说。

博士后期间,查彭蒂尔先后在巴斯德研讨所(1995-1996年)、洛克菲勒大学(1996-1997年)、纽约大学兰贡医学中心(1997-1999年)、圣犹达儿童研讨医院(1999年)和斯科波生物分子医学研讨所(1999-2002年)作业。

之后,查彭蒂尔回到欧洲,担任维也纳大学微生物与遗传学研讨所试验室的负责人。查彭蒂尔一向致力于研讨细菌有时是怎么运用小RNA分子来调理其基因表达的。在维也纳,这种爱好让她想到了一些新发现,它们都是关于许多细菌(以及其他名为古生菌(archaea)的古代细胞)基因组的一个特别特征:古怪的重复核苷酸序列簇,中心穿插着一些短的距离,好像是从病毒那里偷来的DNA。细菌遗传学家称之为CRISPR。

微生物学家在21世纪初提出的假设是,CRISPR是一种相似于细菌免疫体系的东西,能够维护它们不受自己(或它们的先人)触摸过的病毒的损害。关于细菌来说,CRISPR就像一面墙上张贴着已知的病毒要挟的通缉令。

可是,当查彭蒂尔第一次开端考虑时,CRISPR怎么完成这种防护的细节仍是一个谜。查彭蒂尔和她的搭档们悄悄地开端研讨这个问题。她们发现了与CRISPR相关的特定小RNA分子,它们与一种称为Cas9的DNA切开酶相互效果。查彭蒂尔置疑这些RNAs,包含病毒基因序列的片段,引导Cas9抵达病毒DNA中的方针,并答应它炸毁感染细胞的病毒。这个概念对错正统的,因为迄今为止,只要由RNA引导的蛋白质复合物才能在细胞中履行这种DNA靶向功用。

查彭蒂尔在2009年搬到瑞典于默奥大学后完成了进一步的试验,为她斗胆的主意供给了重要的依据。她指出,当含有病毒序列的CRISPR RNA被转录时,它经过与另一段RNA(称为tracrRNA)形成双链并与Cas9结合而老练。由此发生的复合物好像具有了阻挠病毒进犯所需的全部条件。查彭蒂尔在2010年的一次会议上初次提出了她的发现,然后在2011年的《天然》杂志上宣布了更正式的论文。

查彭蒂尔很清楚,假如CRISPR-Cas9体系能够如此快速有效地定位细胞中的DNA方针,那么它作为基因工程东西的潜力是巨大的。可是,为了完成这种或许性,她需要对体系怎么作业有更具体的、结构性的了解。

几个月后,查彭蒂尔在波多黎各参加了一个会议,并遇到了闻名的结构生物学家、加州大学伯克利分校霍华德·休斯医学研讨所研讨员詹妮弗•杜德纳,这时,她所需的专业知识呈现了。杜德纳多年来也一向在研讨CRISPR体系中的RNA。与查彭蒂尔不同的是,杜德纳在夏威夷大岛上长大,一向被周围大天然的多样性和适应性所招引。

在波莫纳学院,杜德纳学习生物化学。1985年,她与杰克·绍斯塔克(Jack Szostak)一同在哈佛大学完成了研讨生阶段的作业。绍斯塔克是研讨具有正确化学性质的前期RNA分子怎么引发生命进化的前驱。在他的生物化学试验室里,杜德纳能够专心于开发新的核糖酶——具有催化化学性质的RNA分子,如酶蛋白。

1991年,杜德纳前往坐落博尔德的科罗拉多大学和托马斯•切赫(Thomas Cech)的试验室。切赫因发现核糖酶而取得了诺贝尔奖。在那里,杜德纳开端研讨一种特别的核酶的晶体化和三维结构(其时,科学家只知道另一种RNA分子的折叠结构)。

1994年参加耶鲁大学后,杜德纳持续这个项目,并终究在1996年成功。这次阅历更坚决了杜德纳的信仰,即RNA结构的了解对了解其功用至关重要。2000年,杜德纳有机会在加州大学伯克利分校具有自己的试验室,她接受了这份约请,部分原因是她能够更方便地运用劳伦斯伯克利国家试验室的同步加速器x射线源,这将有助于结晶研讨。

在伯克利,杜德纳将注意力转向了CRISPR-Cas体系,她对许多与查彭蒂尔相同的问题发生了爱好。总算在2011年,杜德纳在波多黎各的一次会议上遇到了查彭蒂尔,两人一见如故,也认识到对方为CRISPR-Cas研讨带来的互补优势。虽然两人试验室——杜德纳在西海岸,查彭蒂尔在维也纳——隔了大西洋,但仍挡不住激烈的协作志愿。

很快,两人共同努力的效果出来了, 2012年8月宣布在《科学》杂志上的一篇史诗般的论文,该论文标明,在老练的CRISPR RNA双链体中存储的病毒序列,的确会引导其相关的Cas9酶在细胞中随时随地切出相应的病毒DNA。

这篇论文不只解说了细菌怎么运用CRISPR来防护病毒。还标明研讨人员能够运用定制的RNA对CRISPR-Cas9复合物进行编程,然后在任何他们想要的当地对DNA双螺旋进行切片。结合细胞的DNA修正机制,能够删去或刺进一个新的基因。此外,CRISPR在基因组调控方面的效果或许至少与基因组修改相同重要。

运用CRISPR,科学家能将可编程转录因子引进细胞DNA。有了这些基因,它们能够在不改动特定基因的情况下,可逆地使其缄默沉静或失活。杜德纳在2015年的TED讲演期间指出,“咱们意识到,咱们能够运用它作为一种基因工程技能的功用——一种让科学家以令人难以置信的精确度删去或将特定的DNA片段刺进细胞的办法——这将供给机会来做曩昔的确不或许做的工作。”

基因组研讨人员和生物技能专家现已刻不容缓地运用新的CRISPR技能。跟着时刻的推移,引证查彭蒂尔和杜德纳论文宣布的论文数量呈指数级增加。

查彭蒂尔和杜德纳持续改善技能,其他研讨人员包含麻省理工学院布德罗研讨所的张锋和哈佛大学的George M. Church (他们每个人都与Doudna和Charpentier一同独立从事开发用于基因组润饰的CRISPR)。

几家生物科技草创企业现已开端将CRISPR技能的运用商业化,包含CRISPR Therapeutics(由查彭蒂尔联合兴办)、Caribou Biosciences和Intellia Therapeutics(均由杜德纳联合兴办),以及Editas Medicine(由杜德纳、张锋等人联合兴办)。

环绕CRISPR的知识产权存在争议:这项技能的一项美国专利开端颁发了张锋和布德罗研讨所,但杜德纳和查彭蒂尔提出对立,称她们首要请求了专利。但在2017年2月,美国专利局裁决杜德纳和查彭蒂尔无效。(张锋和布德罗研讨所的专利是关于真核生物细胞(包含人类细胞)的基因组修改,而查彭蒂尔和杜德纳请求的专利想掩盖CRISPR-Cas9在所有类型细胞和生物体中的运用,包含细菌、植物、动物和人类。)虽然如此,这项技能依然免费供给给世界各地的学术研讨人员运用。

农业研讨人员现已开端运用CRISPR技能来培养抗病虫灾的小麦、水稻、柑橘、大豆和其他农作物。动物研讨人员一向在培养抗病猪,以及具有“人性化”器官的猪,这些器官或许是安全的招供移植的器官。生物医学研讨人员用它来医治患有相似杜氏肌营养不良症的老鼠。昆虫学家正在探究改动野生蚊子种群基因的或许性,以下降它们传达疟疾和寨卡病毒的才能。CRISPR作为医治遗传性疾病,如囊性纤维化和镰状细胞病,以及DNA滋润性疾病,如艾滋病的一种手法,也引起了医学研讨人员的极大爱好。

因为对CRISPR的奉献,查彭蒂尔和杜德纳在世界上取得了很多的赞誉和荣誉。除了杨森奖,她们还共享了2015年生命科学打破奖、2015年遗传学格鲁伯奖、2016年加拿大加德纳世界奖(与Feng Zhang一同)等奖项。查彭蒂尔于2016年取得德国研讨基金会莱布尼茨奖,并被选为瑞典皇家科学院院士。(杜德纳也是美国国家科学院的成员,但她是在2002年凭仗在核糖酶结构方面的奉献被选入。)而此次取得沃尔夫医学奖,作为诺奖风向标之一,查彭蒂尔和杜德纳取得诺贝尔生理学和医学奖指日可下。

现在,作为马克斯·普朗克感染生物学研讨所所长,查彭蒂尔在柏林的试验室里持续研讨细菌的CRISPR体系,并进一步改善由此发生的基因修改技能。但她也重新开端研讨生物学中其它一些一向感爱好的大疑团,比方细菌和它们的宿主之间的相互效果,以及在遗传和生化层面操控这种联系的分子。

与此一同,杜德纳也积极参与了正在进行的有关怎么明智地运用CRISPR的世界评论。正如她和其他科学家所正告的那样,对这项技能的热心不应该让任何人忽视意外结果的危险。