2020诺奖解读｜有了“基因剪刀”，当真能“逆天改命”

由于实现了“生命密码”的改写，两位女科学家詹妮弗德纳和伊曼纽尔沙彭蒂埃获得了2020年诺贝尔化学奖。她们发明的基因修饰方法CRISPR-Cas9现在正在世界各地的大实验室中使用。用“基因剪刀”改写“生命代码”，将来能彻底解决人类的基因遗传疾病吗？扬子晚报记者邀请南京大学生命科学学院生化学与分子生物学系主任陈熹教授解读。

“基因治疗”兴起于20世纪60年代

在了解“基因剪刀”之前，有必要科学地普及什么是“基因治疗”。陈熹教授告诉记者，基因治疗是通过一些高科技，将靶导入细胞，纠正和补偿缺陷基因引起的疾病的生物医学技术。

基因治疗根据操作分为基因矫正、基因置换、基因增补或基因失活，一般是矫正坏基因、交换一个、加入新的或补偿失去的作用，或者使这个坏基因沉默。

从1960年代开始，比较有远见的科学家开始提出关于基因治疗的概念。1990年，被称为基因治疗之父的威廉法国安德森完成了第一个成功的基因治疗人体实验，吸引了海外许多医疗机构和医药公司进入基因治疗领域。

但是，不到几年就发生了基因治疗下降的事件，18岁的少年杰西格尔辛格在参加宾夕法尼亚大学I期临床实验时，因病毒载体的强烈免疫排斥而死于全身器官衰竭。

从2004年的发展到现在，大家都回到理智，把研究重点放回技术开发本身，不渴望在技术不成熟的时候开展临床试验。通过这一阶段的研究，三项革命性的技术不断发展，基因编辑技术就是其中之一。

“基因剪刀”既可以剪辑又可以修改。

“DNA(脱氧核糖核酸)是积累人类遗传信息的重要物质，基因中的信息状况决定了人类的外部表现。因此，通过“基因剪刀”的夹子、改变或交换基因上的信息，可以实现功能分子蛋白的控制，理论上可以实现治疗任何疾病的可能性。”。陈熹教授对记者说，“基因剪刀”是中文的形象比喻，不是真正的“大剪刀”，而是具有RNA导向的核酸酶，可以通过DNA(脱氧核糖核酸)切割技术治疗很多疾病，有时是“涂改液”。通过DNA的修剪，科研人员可以封闭某些基因，导入新的基因片段，以达到治病的目的，从而非常高精度地改变动物、植物和微生物的DNA。

这次获奖的两位科学家发明的CRISPR-Cas9是对目标基因进行特定DNA修饰的技术，是现在基因编辑领域的最先进的方法，被称为基因砍杀。CRISPR是基因组DNA上的一种特殊序列，来源于细菌和古细菌的获得免疫系统，可以识别入侵细菌的病毒，通过特殊的酶破坏入侵的病毒。天然的CRISPR—Cas9基因可以识别病毒中的DNA，但今年获得诺贝尔化学奖的两位科学家证明了我们可以控制它们，在规定的部位切断任意的DNA分子。迄今为止，研究者为了发现生命的内部工作原理，有必要修饰细胞内的基因。这项工作曾经非常耗时，困难，有时是不可能的。使用CRISPR—Cas9基因编辑工具，您可以在几周内更改生命代码。

两名科学家获奖，赢了第一次体外证明。

根据公开的报道信息，很多科学家为“基因剪刀”的开发做出了贡献。例如，美国麻省理工大学——哈佛大学博德研究所的张锋实验室成功改造了CRISPR系统，实现了哺乳动物细胞(包括人细胞)的基因组编辑。

但最终获得诺贝尔奖的是詹妮弗德纳和伊曼纽尔沙彭蒂埃，陈熹认为这与两位科学家在《科学》杂志上发表的论文有密切的关系。2012年6月，詹妮弗德纳和伊曼纽尔沙彭蒂埃在《科学》杂志上发表了论文，证明了CRISPR—Cas9可以进行基因编辑。论文证明了由两位女科学家领导的研究小组第一次在体外使用Cas9的CRISPR系统可以切断任意DNA链，指出CRISPR在活细胞中修改基因的能力。这是将细菌天然免疫系统进化成CRISPR/Cas9基因编辑工具的第一份工作。

人类基因疾病的未来会彻底解决吗？

陈熹介绍说，目前基因修饰方法CRISPR-Cas9已经在世界各大实验室广泛使用，作为流行的基因编辑技术。科学家因此可以高效、准确地改变、编辑或置换植物、动物乃至人类的基因，改造后的CRISPR技术广泛应用于农业和生物医药领域。

如果有这样的“大剪刀”，是否意味着人类的基因遗传疾病会得到彻底解决呢？陈熹说“基因剪刀”也有明显的缺陷，脱靶效果是阻碍其应用的重要障碍之一。在基因中，脸相似的信息数量极高。因此，“基因剪刀”在修饰基因信息时容易发生“误伤”和“方向痴”的状况，存在概率低的“蛇行”，不小心损伤了其他基因，这就是基因编辑中的“脱目标”。这个问题对每天精确的医学治疗来说确实是致命的，是科学家们不懈奋斗的关键。

与此同时，基因编辑面临的伦理纠纷也是科学界普遍存在争议的话题之一。“我们治疗生殖细胞，画一点线，修饰基因就有可能传给后代扩散到人群中，或者定点改变人的正常特性。”陈熹说，现在基因编辑不能在可以发育成人的胚胎细胞上操作。但是，将来允许遗传病基因编辑的早期临床实验，不是不可能的。

【延长】

南大专家开发了光操作的“基因剪刀”技术，可以更正确地控制基因编辑。

版本2.0的“基因剪刀”的目标更准确，没有“方向感”。

如果容易脱靶的“基因剪刀”是第一个版本1.0，由南京大学、厦门大学、南京工业大学的科研人员组成的科学家团队开发的基因剪刀载体成功将“剪刀”升级到2.0版，遗传2019年4月3日，来自南京大学、厦门大学和南京工业大学的科研人员在最新一期出版的美国《科学进展》杂志上发表了最新的科研成果。他们开发了“基因剪刀”工具的新载体，通过近红外光控制“修剪”基因的方式，可以实现体内时间和空间上的基因编辑控制。

版本2.0基因剪刀编辑基因的图像

南京大学现代工程应用科学学院教授宋玉君介绍说，版本1.0的基因剪刀在“夹子”中通常是“从外向内侧”，在版本2.0的“基因剪刀”中是“内外呼应”。

对于基因剪刀的脱靶效果问题，小组进行了长达一年半的实验。根据实验，研究者新开发的方法采用了被称为“上转换纳米粒子”的非病毒载体，该纳米粒子具有光转换效果，拿着“基因剪刀”CRISPR-Cas9进入细胞内部后，通过非侵入性的近红外光照射而被紫外线宋玉君说，红外光具有很强的组织通透性，这为人体深层组织中安全正确地应用基因编辑技术提供了可能性。

记者了解到，目前该方法的有效性已在体外细胞和小鼠生物肿瘤实验中得到验证。将来或在肿瘤治疗中开拓新的方法。宋玉君比如肿瘤转移和病变，在药物治疗无力的情况下，也许可以通过基因编辑的方式剪切编辑肿瘤细胞的“转移”和“病变”部分，从而达到去除肿瘤的目的。