2020 年诺贝尔化学奖授予 CRISPR 基因编辑，这项技术将如何影响我们的未来？ 第1页

太意外了，基因编辑！！！两位女得主！！！

化学奖又一次授予生物医学领域，2000年以后，三分之二的化学奖授予了生物领域。

前几天还跟人聊，他们说之前的化学奖委员会主席是生物化学领域的，所以容易授予生物，现在换了，应该回归化学，没想到再一次花落生物，21世纪真不愧是生命科学的时代啊。

她们共同发现了基因技术中最先进工具: CRISPR/Cas9（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）。

利用该技术，人类可以精准的修改动物、植物和微生物的 DNA。而且，和以往的技术相比，这项技术最大的优势是：廉价。

简直低廉到任何一个实验室都可以做，比如我都做过crispr/cas9，并设计了全基因组敲除多个基因研究的实验（目前正在进行中）

这项技术对生命科学产生了革命性的影响，从此我们治疗疾病有了全新的手段，过去的遗传性疾病治愈成了一种可能，并且也可能为治疗癌症提供工具。

当然，也包括那种冒天下之大不韪的基因编辑人类胚胎的也蠢蠢欲动（比如贺建奎）。

2020年度的化学奖授予基因编辑做出卓越贡献的的Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna。

那么，什么是基因编辑，基因编辑能做什么？为什么会被授予基因编辑呢？

在开始前，我们先简单的了解下基因编辑。

大家都知道，生物的性状本质上是由基因控制的，不同的基因变化会造成很多差异。

比如，有的人爱吃香菜，有的人不爱吃香菜，会觉得香菜有一股肥皂味。

而其背后的本质是人体的一个基因发生了一个位点的突变。

那么，如果我们可以控制这些位点，岂不是就可以改变这些性状了？

答案正式如此。

因此科学家们一直想着如何编辑基因，当然，也研究了很多手段。

最原始的是天然变异。

基因复制并不是百分之百精确地，会随机发生变异。这成为了很多时候我们获取基因变异的天然办法。

比如我们的杂交水稻（杂交水稻无论是雄败还是其他杂交材料，本质上都是基因变异，是一种在未搞清楚负责基因的时候利用基因变异来进行人工优化的做法），我们的各种家养动物，都是利用天然变异来进行的。

后来人们开始有意识的寻找引发基因变异的办法。

比如用紫外线或者X光诱变。

比如用化学物质诱变。

甚至还有用太空技术诱变的。

这些技术的好处是可以使得基因变异，但是缺点是不可控制，往往是随机变异。

后来，生物技术的前进，人们寻找到了新的基因编辑技术。

比如锌指核酸酶，比如TALEN，这些技术让基因编辑更加快速了，也更加精准了。

不过，还差了那么一点意思。

而本次获得诺奖的CRISPR技术，则是一种非常优越的技术。

首先，CRISPR是什么？

其实，这是几个单词的缩写，Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats。

中文名是“常间回文重复序列簇集”。

这个东西，其实不是人类拥有的，而是来自于微生物。

CRISPR/Cas9其实是天然存在的，大家知道微生物可不像人类这么有完善的抵抗能力，所以经常受到各种外源的基因影响，比如各种病毒可以直接干掉微生物（如噬菌体等），甚至有的微生物可以直接从其他微生物中获取DNA让自己变性（也就是大家熟悉的天然转基因——基因水平转移）。

那么，微生物一定有一套自己来调整和控制的办法，或者说，微生物一定有自己的免疫系统，在21世纪初，其实已经知道了这套系统，也就是细菌可以用CRISPR系统来防御病毒攻击。

不同生物有不同的CRISPR系统，这个系统也有不同的策略，但是大家发现，有一个叫做CRISPR RNA的分子是其中的关键，不过当时人们大多不太感兴趣，毕竟那个年代，克隆，干细胞都是大火的东西。

相比于人类有强大的免疫系统，微生物往往是单细胞，所以它们更容易受到外来基因的攻击。

比如典型的就是病毒可以入侵并攻击微生物的基因。

微生物为了应对外来攻击，发展出了一套系统，就是利用CRISPR系统来切割入侵的基因，从而避免其影响自身。

而本次两位诺奖得主就是研究CRISPR系统的，她们共同的发现了微生物应对入侵基因的关键因子：tracrRNA、CRISPR RNA 和Cas9 蛋白。

而Charpentier就对这个比较感兴趣，这是因为她本身是微生物研究领域的，她特别好奇链球菌基因组是如何产生这个调节性调节性RNAs及其位点识别机制。2008年获得了该细菌产生的所有小RNAs的序列，并进一步找出了一种比较特殊的RNA，当时称作trans-activating CRISPR RNA（tracrRNA）。

进一步，Charpentier和另一位诺奖得主Jennifer A. Doudna一起探索了tracrRNA发挥功效的方式，最后找到三个核心组件：tracrRNA、CRISPR RNA 和Cas9 蛋白。

这三者可以将入侵的DNA切割，然后降解。

那么，这给科学家一种提示，我们可不可以用这套系统来切割其他基因组呢？

于是她们尝试了在其他生物中进行研究，发现果然可行。

CRISPR可以切割DNA，然后让DNA发生损伤。

这个时候我们可以趁机把我们想要编辑的部分导入进去。

进一步，所有生物都拥有的修复系统会把基因组修复。

而这个修复的过程，会“错误”的把那段我们编辑的部分一起当做自己的DNA进行修复。

于是，我们就实现了基因编辑。

这种编辑，有一种“狸猫换太子”的感觉。

而这套系统具有非常强大的编辑能力，几乎能编辑各种动物、植物和微生物，正因为如此，一问世就马上获得了全世界的关注。

此外，这套系统非常的廉价，可以让全世界的实验室都使用，于是全世界的科学家一起努力，让基因编辑成功走入了千万家。

那么，基因编辑有什么作用呢？

最基础的应用就是应对疾病。

比如狐臭，这是一种让人比较讨厌的难言之隐，然而其本质上是一个基因发生了突变。

而利用基因编辑技术，我们可以把这个突变扭转，于是就治疗了狐臭。

再比如癌症，很多时候，癌症是和基因有关的。

典型的就是乳腺癌，有个基因发生变异就会导致乳腺癌发生几率提高几倍。

著名影星安吉丽娜朱莉还因为检测到了这个基因变异而把自己的乳腺切除。

不过有了基因编辑技术，可以直接把这个基因突变扭转回来，从而降低乳腺癌概率。

而更为夸张的是，这个基因编辑，为人类改造自身提供了强的武器。

大家看到各种科幻电影，各种各样的改造人类。

鹰的眼睛,狼的耳朵,豹的速度,熊的力量。

那么有这套基因编辑技术，我们完全可以把这些基因编辑或者导入人体，实现人体改造。

比如贺建奎就冒天下之大不韪，用这套系统，编辑了受精卵，并让宝宝生下来，引发了全球的震惊。

由于基因编辑技术非常简单，一个无任何生物背景的人，培训几周都可以成功操作基因编辑。价格也十分低廉。

所以这套技术，可能会带来全民性的基因编辑，因此也被不少人认为是打开了“潘多拉魔盒”。

甚至未来大家想象的改造人类，设计人类都有可能。

科学技术是一把双刃剑，所以未来，我们要利用好基因编辑，同时避免基因编辑滥用的风险。

CRISPR是目前实验室做基因编辑最常用的技术之一。发现CRISPR的Francisco Mojica没拿到这次诺贝尔奖，CRISPR应用巨头张锋也没拿到奖。

首先讲下CRISPR是怎么发现的。

在很多细菌基因组里有这么一些序列，两个重复序列DNA里插一段其他DNA，就这么AB AC AD AE A.....一直下去，串一长串。以前测序测到重复序列往往觉得是垃圾DNA，没关注这些序列是什么。后来有人仔细比对了下，B C D E这些都是噬菌体（感染细菌的病毒）的DNA序列。这就带来一个猜想：是不是噬菌体感染细菌后，细菌把噬菌体DNA吸收到自己基因组里，噬菌体下次再来能认出它，免疫噬菌体入侵？Francisco Mojica早在2005年就发文章提出猜想了，而在之前都没什么人关注这个领域。

后来多个微生物学家一起证明真是这样。噬菌体感染细菌时，噬菌体DNA入侵细菌细胞内，噬菌体DNA大量复制时被细菌蛋白发现，切一小段E序列吸收到细菌基因组A边上，就有了AEA。如果这次细菌不死，它的EA序列转录出RNA，结合到Cas蛋白上，免疫工具就组装成功了。下次含E序列的噬菌体再入侵，含E序列的RNA和噬菌体DNA序列互补，指导Cas9上去把噬菌体DNA切断，就此产生免疫反应，保护细菌。当然，如果D啊C啊B啊各种噬菌体入侵DNA都可能留下记号，由此就有了细菌的AB AC AD AE A...这个含切割蛋白Cas的免疫系统就叫CRISPR (全称长到记不住blahblah)。

这个发现刚出来时觉得可以应用于酸奶。一些乳酸杆菌往往受噬菌体入侵，如果将噬菌体序列放进乳酸杆菌基因组CRISPR array中对酸奶生产有利。然而就像TAL effector在水稻白叶枯致病菌黄单胞杆菌中一直存在，但做水稻的大多都没意识到TALE可以被改造成基因编辑工具TALEN一样；一开始发现CRISPR的一部分微生物学家也没想把它用于基因编辑，想的还是本领域。结果被其他敏锐的生物学家改造应用于基因编辑了。

第二部分，就到了CRISPR被改造为基因编辑工具的应用阶段，这阶段的代表人物是本次两位诺奖获得者Emmanuelle Charpentier，Jennifer A. Doudna，以及没拿奖的张锋。

CRISPR，即一段RNA识别一段DNA/RNA后把Cas蛋白引导上去切割或编辑。这就是大家梦寐以求的基因编辑工具嘛。有了这个，还要啥酸奶？

这不，敏锐察觉到CRISPR价值的几位大佬：Emmanuelle Charpentier/Jennifer A. Doudna，及张锋于2012、2013年分别在细菌和真核细胞里证明CRISPR能编辑细胞基因组。

随后这项技术从2013年开始全面开花，加了不同元件改造后，不仅可以切割DNA，还能编辑DNA单碱基，能激活或抑制基因表达，还能切割编辑RNA，甚至在检测病毒DNA或RNA时也有一席之地。

从科研上，Jennifer和张锋还活跃在CRISPR科研领域第一线，基本上每年都有大发现；Charpentier后期的学术成就略少，慢慢也就没另外两位那么熠熠发光了。而从商业上，以Jennifer和张锋为首的两个阵营的CRISPR专利之战一直打来打去，几位大佬的基因治疗公司也是做得风生水起。

所以这次诺奖明确表态Emmanuelle Charpentier/Jennifer A. Doudna拿诺奖，这两位拿奖实至名归，但张锋没拿奖有些可惜。另外，诺奖一直鼓励技术发明的基础生物研究者，CRISPR偏微生物学的发现者们这次都没拿奖也有点说不过去。

知乎官方把这个回答做成了视频。