詹妮弗·杜德納
剛剛，美國生物學(xué)家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）與法國生物化學(xué)家埃馬紐埃爾·沙爾龐捷（Emmanuelle Charpentier）因?qū)π乱淮蚓庉嫾夹g(shù)CRISPR的貢獻(xiàn)，摘得今年的諾貝爾化學(xué)獎。
去年5月，杜德納接受了《環(huán)球科學(xué)》專訪，為我們講述了CRISPR過去、現(xiàn)在與未來的故事。杜德納認(rèn)為，在未來10年里，CRISPR將更加融入生活——從我們吃的食物到醫(yī)生給我們推薦的治療方案，CRISPR都可以在其中發(fā)揮作用，它的應(yīng)用將覆蓋整個生物世界。
撰文 | 龔聰
攻讀博士學(xué)位期間，杜德納和紹斯塔克一道做出了一個重要發(fā)現(xiàn)。1989年，他們發(fā)現(xiàn)某些RNA不僅能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，還具有催化功能，這一發(fā)現(xiàn)改變了人們對RNA的認(rèn)識。除了這個發(fā)現(xiàn)，杜德納在紹斯塔克實(shí)驗(yàn)室的還有一個收獲。她在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)?？吹?，作為生物學(xué)家的紹斯塔克會讀一些跟眼下研究并無多大關(guān)系的論文，比如應(yīng)用數(shù)學(xué)。興趣廣泛的紹斯塔克讓杜德納逐漸認(rèn)識到，只有足夠好奇、涉獵足夠廣泛，“看得見整間屋子，你才能抓住藏在角落里的科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。而這一點(diǎn)，對她的研究生涯產(chǎn)生了深刻影響。
拿到博士學(xué)位后，杜德納前往1989年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主托馬斯·切赫（Thomas Cech）的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。在這里，她同樣做出了重要發(fā)現(xiàn)：與切赫一同確定了一種重要的RNA分子的三維結(jié)構(gòu)。
2002年，杜德納在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校獲得教職，擔(dān)任生物化學(xué)和分子生物學(xué)教授。正是在這里，關(guān)于基因編輯的故事開始了。
2005年的一天，杜德納接到一個電話，來自吉莉恩·班菲爾德（Jillian Banfield）。后者是杜德納的同事、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的地球和行星科學(xué)教授。她在研究一所廢棄礦場里的微生物時，在它們的基因組里發(fā)現(xiàn)了一些重復(fù)的DNA片段——這些片段就是規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)序列，英文名的縮寫為CRISPR。班菲爾德想知道CRISPR有什么用，于是她給正在研究RNA的杜德納打了電話。
杜德納立刻被這一現(xiàn)象吸引了，她也想弄清楚CRISPR在細(xì)菌中有什么作用，于是開始尋找相關(guān)線索。在接下來的幾年中，杜德納和同事發(fā)現(xiàn)，CRISPR有點(diǎn)像人類的免疫系統(tǒng)，能夠記錄曾經(jīng)入侵的病毒的遺傳信息，并儲存起來，形成“記憶”。
2011年3月，杜德納前往波多黎各首府圣胡安參加美國微生物學(xué)會會議。在這里，她第一次見到了法國微生物學(xué)家、遺傳學(xué)家埃馬紐埃爾·沙爾龐捷（Emmanuelle Charpentier）。兩位科學(xué)家在交流時發(fā)現(xiàn)，兩個實(shí)驗(yàn)室居然都在研究CRISPR，并且后者也剛開始研究CRISPR系統(tǒng)里面的一種特殊蛋白質(zhì)，叫做Cas9。很快，兩位科學(xué)家就決定開展合作。杜德納派出了資深的博士后研究員馬丁·伊內(nèi)克（Martin Jinek），和夏彭蒂耶一起工作。
合作也許是科研最好的催化劑。幾個月后，他們就弄清楚了CRISPR系統(tǒng)中Cas9的工作原理。作為細(xì)菌免疫系統(tǒng)的一部分，CRISPR系統(tǒng)能產(chǎn)生攜帶病毒遺傳信息的RNA序列。接下來，這段RNA序列就能引導(dǎo)Cas9蛋白，在細(xì)菌DNA分子上找到入侵的病毒DNA序列，并把它剪掉。
清楚的工作原理是從發(fā)現(xiàn)到發(fā)明的橋梁。杜德納和沙爾龐捷很快發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌CRISPR系統(tǒng)里的RNA能引導(dǎo)Cas9剪掉任一特定的DNA序列。并且，這種方法在很多物種的細(xì)胞中都能工作。他們意識到，一項新的基因編輯技術(shù)誕生了！
這項研究發(fā)表到《科學(xué)》雜志上之后，立即引起了全球性的關(guān)注。與其他基因編輯技術(shù)相比，CRSIPR操作簡單，成本低廉，并且無比高效，因而很快就在世界各國的生物實(shí)驗(yàn)室中得到了應(yīng)用。對于CRSIPR的普及速度，就連杜德納本人都感到吃驚：“我們剛剛發(fā)明出來，大家就開始使用了。”
除了研究，CRISPR也在其他領(lǐng)域引發(fā)了變革。長期以來，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)家通常都用人工選育的方式來培養(yǎng)新的作物品種。這種方法不僅耗時，而且不一定能獲得想要的性狀。但利用CRISPR，科學(xué)家就能在很短的時間里改造農(nóng)作物的基因和性狀。這樣的前景也讓商業(yè)界看到了巨大的機(jī)會。2018年成立的Pairwise公司打算用CRISPR技術(shù)，讓水果和蔬菜口感更好，更加適合直接食用，提高它們在年輕人中的受歡迎程度。目前，Pairwise公司已經(jīng)拿到了超過2500萬美元的投資。
醫(yī)學(xué)是CRISPR的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。醫(yī)生很早就知道，一些遺傳疾病是基因突變造成的，如杜氏肌營養(yǎng)不良癥（DMD）。在這類患者中，由于基因發(fā)生了突變，參與肌肉收縮的蛋白質(zhì)的合成量不足，患者的肌肉將逐漸萎縮，直至完全喪失運(yùn)動能力。目前，DMD還沒有有效的治療方法，只能依靠藥物減緩病情惡化，但CRISPR或許能改變這一局面。一些制藥公司正在試驗(yàn)兩種治療方法，一是嘗試修復(fù)突變的基因，讓它產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)；二是切除突變所在的DNA片段，這樣產(chǎn)生的蛋白質(zhì)雖然功能不全，但仍能行使一定功能。
《環(huán)球科學(xué)》：你如何看待CRISPR的重要性？
杜德納：CRISPR能輕易地改變?nèi)魏紊锏倪z傳信息，甚至包括人類自身。它的準(zhǔn)確性和高效性深刻改變了基礎(chǔ)研究，為生物學(xué)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥帶來了很多新的研究方向和發(fā)現(xiàn)。比如，科學(xué)家開始用CRISPR技術(shù)來尋找特殊疾病的治療方法，制造新型可再生生物燃料，以及培育對環(huán)境更耐受的經(jīng)濟(jì)作物。
現(xiàn)在，即便只有很少的生物學(xué)知識的人也能使用CRISPR。美國和歐洲的一些中學(xué)已經(jīng)把這項技術(shù)作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生們甚至可以動手操作。一家公司還推出了一款不到200美元的CRISPR實(shí)驗(yàn)套裝，讓使用者在家就能編輯酵母的DNA。CRISPR帶來的改變是巨大的。當(dāng)然，我們需要更加負(fù)責(zé)地去使用這項技術(shù)。
《環(huán)球科學(xué)》：鑒于CRISPR的便捷性和廣泛應(yīng)用，它能否成為基因編輯的終極工具？
杜德納：除了CRISPR，其他能切割DNA分子的蛋白質(zhì)還有鋅指核酸內(nèi)切酶（zinc finger nucleases）和類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)核酸酶（TALENs），但它們都更加昂貴，而且耗費(fèi)時間。
在基因編輯中，CRISPR只負(fù)責(zé)一半工作。當(dāng)某段DNA序列被CRISPR切除，細(xì)胞中的天然蛋白質(zhì)就會嘗試修復(fù)DNA分子，通常是添加或切除一些DNA序列。目前，科學(xué)家仍在研究這樣的DNA修復(fù)過程，了解其中的原理并加以控制。在治療遺傳疾病時，這一點(diǎn)是必須要考慮的。另一方面，科學(xué)家也在開發(fā)更好的傳送方式，讓CRISPR在進(jìn)入細(xì)胞后更精準(zhǔn)地發(fā)揮作用。CRISPR還不完美，仍有改善的空間。
《環(huán)球科學(xué)》：CRISPR技術(shù)對未來還將產(chǎn)生什么影響？
杜德納：在個性化醫(yī)療領(lǐng)域，CRISPR技術(shù)推動了多款個性化藥物的發(fā)展，幫助病人獲得更好的治療。在未來的幾年里，通過修復(fù)基因突變，CRISPR還有望治愈一些嚴(yán)重的遺傳疾病，如鐮狀細(xì)胞貧血?，F(xiàn)在有很多研究團(tuán)隊和公司都在研究這個方向，并且有望在不久的將來找到治療方法。如果他們獲得成功，我們就能用CRISPR去治療其他單基因突變導(dǎo)致的遺傳疾病。
我們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)，是如何把CRISPR工具傳送到細(xì)胞或組織里面。所以，從這個角度考慮，血液疾病可能是用CRISPR治療的首選，因?yàn)槲覀兡馨蜒?xì)胞取出來，在體外進(jìn)行基因修復(fù)后再送回體內(nèi)。在接下來的10年里，CRISPR將更加融入生活——從我們吃的食物到醫(yī)生給我們推薦的治療方案，它的應(yīng)用將覆蓋整個生物世界。
《環(huán)球科學(xué)》：你目前在做哪些研究？
杜德納：在我的實(shí)驗(yàn)室里，我們主要有4個研究方向：第一，研究CRISPR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，包括CRISPR系統(tǒng)如何獲取病毒的DNA片段以及CRISPR系統(tǒng)如何利用RNA定位需要剪切的基因序列；第二，利用基因組分析方法，在不同微生物群體身上尋找更有效的基因編輯技術(shù)；第三，將CRISPR用于病毒檢測（如HPV病毒）；第四，用CRISPR編輯動植物細(xì)胞，達(dá)到治療疾病或提高主要農(nóng)作物產(chǎn)量的目的。
在加利福尼亞州創(chuàng)新基因組學(xué)研究所（Innovative Genomics Institute, IGI）,我們主要研究CRISPR在生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、微生物學(xué)、科技和社會方面的應(yīng)用和影響。另外，鑒于CRISPR的廣泛應(yīng)用，我們也在推動科學(xué)家與經(jīng)濟(jì)學(xué)家、公共政策研究者、法律制定者開展對話，來充分了解CRISPR對我們社會造成的影響。
《環(huán)球科學(xué)》：你還對哪些研究感興趣？
杜德納：我最近注意到了這樣一項研究，就是將尼安德特人的部分基因?qū)朐隗w外培養(yǎng)的人類細(xì)胞。我想了解的問題是，注入尼安德特人的基因后，單個細(xì)胞會有什么變化？我們能否從中發(fā)現(xiàn)尼安德特人與我們的不同之處？
這項研究非常有趣，而發(fā)現(xiàn)CRISPR的故事也很好地說明了，支持以興趣為驅(qū)動的基礎(chǔ)生物學(xué)研究，有可能會推動人類社會的下一次重大突破。所以，我很期待上面這項研究得到讓我們眼前一亮的結(jié)果。
《環(huán)球科學(xué)》：最近一段時間，你做了很多演講，也寫了一本書，呼吁對CRISPR技術(shù)加強(qiáng)監(jiān)管?？茖W(xué)界在這方面取得了哪些進(jìn)展？
杜德納：在一開始，我非常不適應(yīng)公開談?wù)揅RISPR的影響，但我逐漸認(rèn)識到我必須站出來。因?yàn)槲覅⑴c發(fā)明了這項技術(shù)，因此需要承擔(dān)更多責(zé)任。
跟很多顛覆性的技術(shù)一樣，CRISPR有能力大幅改善我們的生活，但也可能帶來一些未知的影響。我們正在與法律制定者密切交流，建立更有力的預(yù)防措施，確保CRISPR技術(shù)的使用是安全的、負(fù)責(zé)的。同時，政策應(yīng)當(dāng)在技術(shù)的發(fā)展和限制之間尋求平衡，避免產(chǎn)生阻力。
我相信，我們有能力建立有效的監(jiān)管措施，讓CRISPR繼續(xù)在治療遺傳疾病、農(nóng)作物改造和物種保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
《環(huán)球科學(xué)》：CRISPR技術(shù)的出現(xiàn)，離不開團(tuán)隊合作。你怎么看待科研上的合作？
杜德納：我在一所公立大學(xué)工作，因此會和本科生、研究生一起工作。所有人的背景都不一樣，即便如此，大家仍能共同工作。因?yàn)楹献鲗蒲械某晒χ陵P(guān)重要。實(shí)際上，我們社會中很多重大的科研進(jìn)展，都是多學(xué)科合作的結(jié)果。在我的實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新基因組學(xué)研究所，我們倡導(dǎo)開放、合作的工作方式，積極與其他優(yōu)秀的研究團(tuán)隊交流。
