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深入科普:基因界的暗黑技术

2015/08/23 来源:生物探索
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导读
2012年CRISPR/Cas9机理被揭示,2013年CRISPR/Cas9系统可以对人体基因进行编辑,2014年数百篇论文充斥科研界,2015年的 “定制胚胎”,短短三年多时间,CRISPR/Cas9以其廉价、快速、简易的特点在生物医学研究中引起一场变革。


CRISPR/Cas9作为在大多数细菌和古细菌中发现的一种天然免疫系统,可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。它从问世之初就一直备受瞩目。2012年CRISPR/Cas9机理被揭示,2013年CRISPR/Cas9系统可以对人体基因进行编辑,2014年数百篇论文充斥科研界,2015年的 “定制胚胎”,短短三年多时间,CRISPR/Cas9以其廉价、快速、简易的特点在生物医学研究中引起一场变革。

CRISPR/Cas9机理

CRISPR指的是规律成簇的间隔短回文重复(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)。当外源DNA侵入宿主细胞,被CRISPR位点识别。再次感染引发互补的成熟CRISPR RNA(crRNA)找到匹配的序列,为CRISPR相关(Cas)核酸酶在特定DNA序列切割双链提供了特异性。


Cas9是由crRNA和tracrRNA(反式激活crRNA)引导、切割特定DNA序列的核酸酶。引导RNA(gRNA)可设计成包含发夹结构,以模拟tracrRNA-crRNA复合物。结合特异性是根据gRNA和三核苷酸NGG序列(protospacer adjacent motif,PAM)。对于位点特异的编辑,CRISPR/Cas9系统至少需要Cas9核酸酶和gRNA。

提及CRISPR/Cas9,不得不重挥笔墨说一说这些人:

CRISPR/Cas9揭秘人

加州大学伯克利分校生物化学与分子生物学教授Jennifer Doudna 博士和德州亥姆霍兹传染研究中心的Emmanuelle Charpentier合作与2012年在《Science》发表揭示细菌对抗病毒免疫防御过程运用CRISPR/Cas9基因编辑机理的学术论文,让CRISPR/Cas9从此成为科研界新宠。

这两位女科学家于2014年年底凭借这一伟大发现荣获2015年生命科学突破奖。这一被业内人士成为“豪华版诺贝尔奖”的设立是为了奖励具有非凡应用前景的突破性研究。同时,CRISPR/Cas9被誉为本世纪目前为止生物技术领域的最大突破。

2013年11月,Emmanuelle Charpentier作为创始人之一,创办了CRISPR Therapeutics公司。同一时间,Jennifer Doudna 博士与张锋共同成立Editas Medicine公司。但是戏剧的是,自张锋专利申请成功之后Doudna就与公司断绝关联,并同时将知识产权授予一家2015年年初才成立的创业公司Intellia Therapeutics。

那么这场专利争夺战中,拔取头筹的张锋又是何许人也?且耐心往下看:

张锋:CRISPR/Cas9专利发明人

张锋,麻省理工学院脑与认知科学助理教授、McGovern 脑研究所和Broad研究所核心成员。2013年,这位80后的年轻华人科学家开发出了可用来编辑DNA、敲除指定基因的CRISPR/Cas9系统,一时间引起轰动。之后两年,张锋博士一直致力于该系统的临床研究,发表优秀论文十多余篇。

2014年4月,麻省理工学院和哈佛大学联手创办的Broad研究所成功申请了CRISPR/Cas9技术的专利。张峰博士则是该专利的发明者。这一举措也正是拉开了关于CRISPR/Cas9的专利争夺帷幕。

张锋依靠4300万美元的风险投资与人联合创办了Editas Medicine。Editas Medicine创办衷指是将最好的基因剪切技术——CRISPR 技术从实验室走向市场,并应用于医疗。

值得一提的是,张锋在接受采访时曾说:“像光遗传学和CRISPR一类的工具,是如此基础性的工具。如果你让它们成为专有物,你将会阻碍科学的进步。”

围绕CRISPR/Cas9的纷争

CRISPR/Cas9之所以如此火热,是因为该系统可以作为编辑人体细胞基因组,用于治疗遗传性疾病。它在企业中尚有专利许可之限,但是在实验室却受到热烈追捧。

许多研究团队利用CRISPR来删除、添加、激活或抑制人体、老鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫、猴子和农作物细胞中的目标基因,该技术在遗传学领域得到广泛应用。

CRISPR势不可挡的热浪当然也席卷到了中国,中科院、清华大学等众多研究机构开始利用该技术开展科学研究。2014年国家自然科学基金申请项目中共批准了31项CRISPR相关的项目,总金额达1300万元。

CRISPR/Cas9技术在精确编辑基因上的独特优势让其快速发展,但是也迎来了一系列伦理、生态安全等思考,且近乎灾难性的生物滥用也带来了恐惧感和不确定感。4月18日,来自中国中山大学生命科学学院的“80后副教授”黄军就在《Protein & Cell》杂志上首次发表了编辑人类胚胎相关的论文。据Nature新闻描述,这属世界首例,也证实了先前关于有人已经在开展人类胚胎基因编辑研究的传闻。一时间,在科研界引发一场社会舆论。《Nature》和《Science》期刊相继发表评论性文章,呼吁科学家们放缓对CRISPR/Cas9的试验,学术界应该规范多项防范策略。

CRISPR/Cas9是科学家探索未知的工具,是企业家创业研发的根本。围绕它的专利争夺、科研进展、伦理思考、安全顾虑,都在提示我们要负责、谨慎地加以运用,只有这样才能实现它的预期价值。

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