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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?

知乎精选 2020-10-09 17:53:23

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。

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?

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)。

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?

利用该技术,人类可以精准地修改动物、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)

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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?

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在开始前,我们先简单地了解下基因编辑。

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。

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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?

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答案正是如此。

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。

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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。

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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。

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比如用化学物质诱变。

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甚至还有用太空技术诱变的。

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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。

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?

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?

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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”。

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?

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。

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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。

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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)。

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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。

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这三者可以将入侵的 DNA 切割,然后降解。

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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。

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这个时候我们可以趁机把我们想要编辑的部分导入进去。

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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”地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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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再比如癌症,很多时候,癌症是和基因有关的。

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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。

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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。

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?

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。

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?

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。

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?

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”。

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?

甚至未来大家想象的改造人类,设计人类都有可能。

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?

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。

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