诺贝尔化学奖为何首次同时授予这两位女科学家?

【字体: 时间:2020年10月09日 来源:

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  2020年10月7日诺贝尔化学奖宣布授予共同开发CRISPR基因编辑工具的法国微生物学家埃玛纽埃勒•沙尔庞捷(Emmanuelle Charpentier)和美国生物化学家詹妮弗•杜德纳(Jennifer Doudna)。

  

2020年10月7日诺贝尔化学奖宣布授予共同开发CRISPR基因编辑工具的法国微生物学家埃玛纽埃勒•沙尔庞捷(Emmanuelle Charpentier)和美国生物化学家詹妮弗•杜德纳(Jennifer Doudna)。

基因编辑

基因编辑指用特异性核酸酶剪切DNA链,移除或插入DNA。在CRISPR/Cas9出现之前,生命科学使用两种酶来切割DNA:锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)。

CRISPR的问世

1987年,日本科学家Yoshizumi Ishino等人在K12大肠杆菌的碱性磷酸酶基因附近发现了几个串联间隔重复序列,但在当时他们并不知道该结构的生物学意义;

1993年,西班牙微生物学家Francisco Mojica报道地中海富盐菌(Haloferax mediterranei)的基因组中也存在间隔的重复序列,并将其命名为SRSPs(后来在他自己的建议下改为CRISPR),他坚信它们可能具有某些重要的生物学功能;

2002年,Mojica和荷兰科学家Ruud Jansen合作,首次将这种新型DNA序列命名为规律间隔成簇短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats),就是如今我们所称的“CRISPR”的全称。

2003年,Mojica发现CRISPR包含微生物适应性免疫系统信息,并将论文投稿《Nature》,《Nature》以“关键论点属于已知范畴”为由拒绝发表。随后,其他期刊杂志也拒绝发表Mojica的论文;

2005年,Mojica关于“CRISPR可能功能”的论文终于被《Journal of Molecular Evolution》收稿发表。与Mojica有着相似拒稿经历的还有法国遗传学家Giles Vergnaud和俄裔微生物学家Alexander Bolotin,Bolotin是第一个提出CRISPR如何提供免疫功能的人,虽然他的设想后来被证明是错误的。

2007年,菌种科学家Philippe Horvath和Rodolphe Barrangou建立并描述了CRISPR-Cas细菌免疫防御系统的真正工作原理:细菌通过CRISPR系统切割入侵病毒DNA特定片段,从而保护自身免受病毒伤害,猜测Cas9可能是干扰所需的唯一蛋白质,但其灭活入侵噬菌体的步骤细节仍不清除;

2008年,John van der Oost等人发现在大肠杆菌中来自噬菌体的间隔序列被转录成小RNA,他们将其称为CRISPR RNA(crRNA),可以引导Cas蛋白到达目标DNA;

2011年,Charpentier的微生物团队对酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes)进行了小RNA测序,他们发现,除crRNA外,还存在第二种小RNA——反式激活CRISPR RNA(tracrRNA)。tracrRNA与crRNA形成双链体,正是这种双链体将Cas9引导至其靶标;

2012年, Charpentier与来自加州大学伯克利分校的结构生物学和RNA专家Jennifer Doudna合作报道,可以在体外将crRNA和tracrRNA融合在一起,形成一个单一的向导RNA(sgRNA),她们也证明了Cas9能够在体外切割纯化DNA;

2013年,曾参与ZFNs和TALENs改良工作的张峰首先成功地将CRISPR-Cas9用于真核细胞的基因组编辑,来自哈佛大学的George Church在同一期《Science》杂志上报告了类似的研究结果。

2020年,诺贝尔化学奖颁给了Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna,嘉奖两位科学家的革命性开创工作。

纵然她们不是CRISPR的首个发现者,但她们却是CRISPR技术最关键的两位发明者,要想理解CRISPR,就必须在体外重建它们。“借助这些技术,研究人员可以非常精准地改变动物、植物、和微生物的DNA。CRISPR /Cas9基因剪刀彻底改变了分子生命科学,为植物育种带来了新机遇,有望催生创新性癌症疗法,并可能使治愈遗传性疾病这一人类梦想美梦成真。”

从“成名”到“流行”,CRISPR技术的崛起不过十余载,祝贺两位新晋获奖者之外,我们同样感谢其他辛勤耕耘的科学家们,没有全球范围各学科的努力(例如下一代测序技术的应用),就没有如今在农业、医学、生物学等领域点石成金的CRISPR,向无数科学家们致敬!

参考文献:
1. Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, Amemura M, Nakata A "Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product", 1987. Journal of Bacteriology.

2. Eric S. Lander “The Heroes of CRISPR”, 2020. Cell

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