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manbet手机版基因剪刀:重写生命密码的工具

manbet手机版Emmanuelle贝纳manbet手机版而且manbet手机版詹妮弗Doudnamanbet手机版因发现基因技术最锋利的工狗万世界杯具之一:CRISPR/Cas9基因剪刀而被授予2020年诺贝尔化学奖。manbet手机版研究人员可以利用这些技术以极高的精度改变动物、植物和微生物的DNA。manbet手机版这项技术彻底改变了分子生命科学，为植物育种带来了新的机会，正在为创新癌症疗法做出贡献，并可能使治愈遗传疾病的梦想成为现实。

manbet手机版科学的吸引力之一是它是不可预测的——你永远不可能预先知道一个想法或一个问题会导致什么结果。manbet手机版好奇心有时会走入死胡同，有时会遇到需要数年才能走过的荆棘迷宫。manbet手机版但是，她时不时地意识到，她是世界上第一个看到无限可能性的人。

manbet手机版被称为CRISPR-Cas9的基因编辑器就是这样一个具有惊人潜力的意外发现。manbet手机版当Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna开始研究一种免疫系统manbet手机版链球菌manbet手机版一种想法是他们也许可以开发出一种新的抗生素。manbet手机版相反，他们发现了一种分子工具，可以用来在遗传物质中进行精确的切割，从而可以轻松地改变生命的密码。

manbet手机版一个影响每个人的强大工具

manbet手机版在它们被发现仅仅8年后，这些基因剪刀已经重塑了生命科学。manbet手机版生物化学家和细胞生物学家现在可以很容易地研究不同基因的功能及其在疾病进展中的可能作用。manbet手机版在植物育种中，研究人员可以赋予植物特定的特性，比如在温暖气候中抵御干旱的能力。manbet手机版在医学上，这个基因编辑器正在为新的癌症疗法和第一批试图治愈遗传性疾病的研究做出贡献。

manbet手机版关于如何使用CRISPR-Cas9的例子几乎无穷无尽，其中也包括不道德的应用。manbet手机版与所有强大的技术一样，这些基因剪刀也需要受到监管。manbet手机版稍后再详细介绍。

manbet手机版2011年，艾曼纽·夏彭蒂耶和詹妮弗·杜德纳都没有想到，她们在波多黎各café网站上的第一次见面，是一次改变人生的相遇。manbet手机版我们将从最初提出合作的Charpentier开始介绍。

manbet手机版Charpentier对致病菌非常着迷

manbet手机版有人说她干劲十足，细心周到，做事彻底。manbet手机版也有人说艾曼纽·夏彭迪埃总是在寻找意想不到的东西。manbet手机版她自己引用了路易·巴斯德的话:“机会青睐有准备的头脑”。manbet手机版对新发现的渴望和对自由独立的渴望主宰了她的人生。manbet手机版包括在巴黎巴斯德研究所的博士学位，她曾在五个不同的国家、七个不同的城市生活过，并在十个不同的机构工作过。

manbet手机版她所处的环境和研究方法都发生了变化，但她的大部分研究都有一个共同点:致病菌。manbet手机版他们为什么这么好斗?manbet手机版它们是如何对抗生素产生耐药性的?manbet手机版有没有可能找到新的治疗方法来阻止它们的发展?

manbet手机版2002年，当Emmanuelle Charpentier在维也纳大学成立了自己的研究小组时，她专注于一种对人类危害最大的细菌:manbet手机版酿脓链球菌。manbet手机版每年，它感染数百万人，通常引起容易治疗的感染，如扁桃体炎和脓疱病。manbet手机版然而，它也会导致危及生命的败血症，并破坏身体的软组织，使其获得“食肉动物”的声誉。

manbet手机版为了更好地理解manbet手机版链球菌manbet手机版， Charpentier首先彻底调查了这种细菌的基因是如何被调节的。manbet手机版这一决定是发现基因剪刀之路的第一步——但在我们沿着这条路走下去之前，我们将了解更多关于詹妮弗·杜德纳的信息。manbet手机版因为当Charpentier在详细研究manbet手机版链球菌manbet手机版，杜德纳第一次听到了一个她认为听起来像这样的缩写manbet手机版保鲜储藏格manbet手机版．

manbet手机版科学——像侦探故事一样充满冒险

manbet手机版即使是在夏威夷长大的孩子，詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)也有一种强烈的求知欲。manbet手机版一天，她的父亲把詹姆斯·沃森的书放在了桌子上manbet手机版双螺旋结构manbet手机版在她的床上。manbet手机版这个侦探风格的故事讲述了詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克如何解决了DNA分子的结构，这与她在学校教科书上读到的任何东西都不一样。manbet手机版她被科学过程所吸引，意识到科学不仅仅是事实。

manbet手机版然而，当她开始解决科学之谜时，她的注意力并不是在DNA上，而是在它的分子兄弟:RNA上。manbet手机版2006年，当我们见到她时，她正在加州大学伯克利分校领导一个研究小组，拥有20年的RNA研究经验。manbet手机版作为一名成功的研究人员，她对突破性项目有着敏锐的嗅觉，并且最近进入了一个令人兴奋的新领域:manbet手机版RNA干扰manbet手机版．

manbet手机版多年来，研究人员一直认为他们了解RNA的基本功能，但他们突然发现了许多有助于调节细胞中基因活动的小RNA分子。manbet手机版Jennifer Doudna参与RNA干扰的原因是，2006年，她接到了来自不同部门同事的电话。

manbet手机版细菌携带着古老的免疫系统

manbet手机版她的同事是一名微生物学家，她告诉杜德纳一个新发现:当研究人员比较不同细菌和古菌(一种微生物)的遗传物质时，他们发现重复的DNA序列惊人地保存完好。manbet手机版相同的代码一遍又一遍地出现，但在重复之间有不同的独特序列(图2)。这就像一本书中每个独特的句子之间重复着同一个单词。

manbet手机版这些重复序列的数组被称为manbet手机版成簇，有规则间隔manbet手机版短回文重复manbet手机版，缩写为CRISPR。manbet手机版有趣的是，CRISPR中独特的、非重复的序列似乎与各种病毒的遗传密码相匹配，所以目前的想法是，这是古代免疫系统的一部分，保护细菌和古生菌免受病毒的侵害。manbet手机版假设是，如果一种细菌成功地在病毒感染中幸存下来，它就会将一段病毒的遗传密码添加到自己的基因组中，作为感染的记忆。

manbet手机版她的同事说，目前还没有人知道这一切是如何起作用的，但人们怀疑细菌用来中和病毒的机制与杜德纳研究的机制类似:RNA干扰。

manbet手机版杜德纳绘制了一个复杂的机器

manbet手机版这个消息既引人注目又令人激动。manbet手机版如果细菌确实拥有古老的免疫系统，那么这是一件大事。manbet手机版詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)对分子阴谋的感觉开始活跃起来，她开始尽可能地学习关于CRISPR系统的一切。

manbet手机版事实证明，除了CRISPR序列之外，研究人员还发现了他们称之为的特殊基因manbet手机版CRISPR-associatedmanbet手机版，缩写为manbet手机版中科院manbet手机版．manbet手机版杜德纳发现有趣的是，这些基因与编码已知蛋白质的基因非常相似，这些蛋白质专门用于解开和切割DNA。manbet手机版那么Cas蛋白有同样的功能吗?manbet手机版它们会裂解病毒DNA吗?

manbet手机版她让她的研究小组开始工作，几年后，他们成功地揭示了几种不同Cas蛋白的功能。manbet手机版与此同时，其他大学的其他几个研究小组正在研究新发现的CRISPR/Cas系统。manbet手机版他们的图谱显示，细菌的免疫系统可以采取非常不同的形式。manbet手机版Doudna研究的CRISPR/Cas系统属于第一类;manbet手机版这是一个复杂的机制，需要许多不同的Cas蛋白来解除病毒。manbet手机版二类系统要简单得多，因为它们需要的蛋白质更少。manbet手机版在世界的另一个地方，Emmanuelle Charpentier刚刚遇到了这样一个系统。manbet手机版回到她身边。

manbet手机版一个新的未知的crispr系统难题

manbet手机版当我们离开Emmanuelle Charpentier时，她住在维也纳，但在2009年她搬到了瑞典北部Umeå大学一个有很好的研究机会的职位。manbet手机版她被警告不要搬到世界上这么偏远的地方，但漫长、黑暗的冬天让她有足够的和平和安静来工作。

manbet手机版她需要它。manbet手机版她还对基因调节的小RNA分子感兴趣，并与柏林的研究人员合作，绘制了在dna中发现的小RNAmanbet手机版链球菌manbet手机版．manbet手机版这一结果让她思考了很多，因为这种细菌中大量存在的一种小RNA分子是一种未知的变体，而这种RNA的遗传密码与细菌基因组中特殊的CRISPR序列非常接近。

manbet手机版两者之间的相似之处使夏彭迪埃怀疑他们之间有联系。manbet手机版对他们的遗传密码的仔细分析也揭示了小而未知的RNA分子的一部分与CRISPR重复的部分相匹配。manbet手机版这就像找到两个完美组合在一起的拼图(图2)。

manbet手机版Charpentier从未使用过CRISPR，但她的研究小组开始了一些彻底的微生物探测工作，以绘制CRISPR系统manbet手机版链球菌manbet手机版．manbet手机版该系统属于第2类，已知只需要一个Cas蛋白Cas9就能裂解病毒DNA。manbet手机版Charpentier展示了未知的RNA分子，它被命名为manbet手机版反式激活crispr RNAmanbet手机版(tracrRNA),manbet手机版也有决定性的作用;manbet手机版从基因组中的CRISPR序列中生成的长链RNA成熟为活性形式是必要的(图2)。

manbet手机版经过密集和有针对性的实验，Emmanuelle Charpentier于2011年3月发表了tracrRNA的发现。manbet手机版她知道她正在经历一件非常激动人心的事情。manbet手机版她在微生物学方面有多年的经验，在她对CRISPR-Cas9系统的持续研究中，她想与一位生物化学家合作。manbet手机版詹妮弗·杜德纳是自然的选择。manbet手机版因此，那年春天，当夏彭蒂埃受邀参加波多黎各的一个会议，谈论她的发现时，她的目标是与这位熟练的伯克利研究人员见面。

manbet手机版波多黎各的一次改变人生的会议café

manbet手机版巧合的是，他们在会议的第二天在café见面。manbet手机版杜德纳的一个同事把他们介绍给了对方，第二天，夏彭迪埃提议他们应该一起游览首都的老城区。manbet手机版当他们沿着鹅卵石街道漫步时，他们开始谈论他们的研究。manbet手机版Charpentier想知道Doudna是否有兴趣合作——她是否愿意参与研究Cas9在人体中的功能manbet手机版链球菌的manbet手机版简单的二类系统?

manbet手机版詹妮弗·杜德纳对此很感兴趣，他们和同事们通过数字会议为这个项目制定计划。manbet手机版他们怀疑，要识别病毒的DNA，就需要CRISPR-RNA，而Cas9则是切断DNA分子的剪刀。manbet手机版然而，当他们在体外测试时，什么都没有发生。manbet手机版DNA分子保持完整。manbet手机版为什么?manbet手机版实验条件有问题吗?manbet手机版或者Cas9有完全不同的功能?

manbet手机版经过大量的头脑风暴和无数失败的实验，研究人员最终将tracrRNA添加到他们的测试中。manbet手机版以前，他们认为tracrRNA只有在CRISPR-RNA被切割成活性形式时才有必要(图2)，但一旦Cas9获得tracrRNA，所有人都在等待的事情实际上发生了:DNA分子被切割成两部分。

manbet手机版进化的解决方案经常让研究人员感到惊讶，但这是不同寻常的。manbet手机版链球菌进化出的防御病毒的武器简单有效，甚至是聪明绝顶。manbet手机版基因剪刀的历史本可以到此为止;manbet手机版Charpentier和Doudna发现了一种细菌的基本机制，这种细菌给人类带来了巨大的痛苦。manbet手机版这一发现本身就令人震惊，但机会总是垂青于有准备的人。

manbet手机版一个划时代的实验

manbet手机版研究人员决定尝试简化基因剪刀。manbet手机版利用他们对tracr-RNA和CRISPR-RNA的新知识，他们想出了如何将两者融合成一个单一分子，他们将其命名为引导RNA。manbet手机版利用这种基因剪刀的简化变体，他们进行了一项划时代的实验:他们研究是否可以控制这种遗传工具，使其在研究人员决定的位置切割DNA。

manbet手机版到这个时候，研究人员知道他们即将取得重大突破。manbet手机版他们从杜德纳实验室的冷冻库中取出一个基因，选择5个不同的地方进行基因切割。manbet手机版然后，他们改变了剪刀的CRISPR部分，使其代码与要进行切割的代码相匹配(图3)。结果是压倒性的。manbet手机版DNA分子在正确的位置被切割。

manbet手机版基因剪刀改变了生命科学

manbet手机版2012年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna发表了他们发现的CRISPR/Cas9基因剪刀后不久，几个研究小组证明，这种工具可以用来修改小鼠和人类细胞的基因组，从而导致了爆炸性的发展。manbet手机版以前，改变细胞、植物或生物的基因非常耗时，有时甚至是不可能的。manbet手机版使用基因剪刀，研究人员原则上可以在任何他们想要的基因组上进行切割。manbet手机版在此之后，很容易利用细胞的自然系统进行DNA修复，从而重写生命的代码(图3)。

manbet手机版由于这种基因工具非常容易使用，现在在基础研究中得到了广泛应用。manbet手机版它被用来改变细胞和实验动物的DNA，以了解不同基因的功能和相互作用，例如在疾病过程中。

manbet手机版基因剪刀也已成为植物育种的标准工具。manbet手机版研究人员以前使用的修改植物基因组的方法通常需要添加抗生素抗性基因。manbet手机版当这种作物被种植时，这种抗生素耐药性就有蔓延到周围微生物的风险。manbet手机版多亏了基因剪刀，研究人员不再需要使用这些古老的方法，因为他们现在可以对基因组进行非常精确的改变。manbet手机版除此之外，他们还编辑了水稻从土壤中吸收重金属的基因，从而培育出镉和砷含量较低的改良水稻品种。manbet手机版研究人员还开发出了在温暖气候中更能抵御干旱的作物，并能抵御昆虫和害虫，否则就必须使用杀虫剂。

manbet手机版治愈遗传病的希望

manbet手机版在医学上，基因剪刀正在为癌症的新免疫疗法做出贡献，目前正在进行试验，以实现一个梦想——治愈遗传性疾病。manbet手机版研究人员已经在进行临床试验，以研究他们是否可以使用CRISPR/Cas9来治疗镰状细胞贫血和β地中海贫血等血液疾病，以及遗传性眼病。

manbet手机版他们还在研究修复大器官基因的方法，比如大脑和肌肉。manbet手机版动物实验表明，特殊设计的病毒可以将基因剪刀传递到所需的细胞，治疗毁灭性遗传疾病的模型，如肌肉萎缩症、脊髓性肌肉萎缩症和亨廷顿舞蹈症。manbet手机版然而，这项技术在用于人体测试之前还需要进一步完善。

manbet手机版基因剪刀的力量需要监管

manbet手机版除了所有的好处，基因剪刀也可能被滥用。manbet手机版例如，该工具可用于制造转基因胚胎。manbet手机版然而，多年来，一直有法律法规控制基因工程的应用，其中包括禁止以允许遗传的方式修改人类基因组。manbet手机版此外，涉及人和动物的实验在进行之前必须经过伦理委员会的审查和批准。

manbet手机版有一件事是肯定的:这些基因剪刀影响着我们所有人。manbet手机版我们将面临新的伦理问题，但这种新工具很可能有助于解决人类目前面临的许多挑战。manbet手机版通过他们的发现，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna开发了一种化学工具，将生命科学带入了一个新时代。manbet手机版它们让我们看到了一个有着无法想象的潜力的广阔地平线，在探索这片新土地的过程中，我们一定会有新的意想不到的发现。

manbet手机版进一步的阅读

manbet手机版有关今年奖项的其他信息，包括科学英语背景，可在瑞典皇家科学院的网站www.kva.se和www.dokicam.com上获得，在那里您可以观看新闻发布会、诺贝尔演讲等视频片段。manbet手机版有关诺贝尔奖和经济科学奖的展览和活动的信息，请访问www.nobelprizemuseum.se狗万世界杯

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manbet手机版EMMANUELLE贝纳
manbet手机版1968年生于法国奥热河畔尤维希。
manbet手机版1995年巴黎巴斯德研究所博士，
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manbet手机版1964年生于美国华盛顿特区。
manbet手机版1989年毕业于哈佛医学院，
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manbet手机版美国加州伯克利和调查者，
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manbet手机版科学编辑:manbet手机版Claes Gustafsson, Gunnar von Heijne, Pernilla Wittung Stafshede，诺贝尔化学委员会
manbet手机版文本:manbet手机版安Fernholm
manbet手机版翻译:manbet手机版克莱尔巴恩斯
manbet手机版插图manbet手机版©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院
manbet手机版编辑器:manbet手机版莎拉Gustafsson
manbet手机版©瑞典皇家科学院