专访新科诺奖得主杜德纳：未来10年，CRISPR将融入生活

詹妮弗 · 杜德纳

刚刚，美国生物学家詹妮弗 · 杜德纳（Jennifer Doudna）与法国生物化学家埃马纽埃尔 · 沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier）因对新一代基因编辑技术 CRISPR 的贡献，摘得今年的诺贝尔化学奖。

去年 5 月，杜德纳接受了《环球科学》专访，为我们讲述了 CRISPR 过去、现在与未来的故事。杜德纳认为，在未来 10 年里，CRISPR 将更加融入生活——从我们吃的食物到医生给我们推荐的治疗方案，CRISPR 都可以在其中发挥作用，它的应用将覆盖整个生物世界。

攻读博士学位期间，杜德纳和绍斯塔克一道做出了一个重要发现。1989 年，他们发现某些 RNA 不仅能够指导蛋白质的合成，还具有催化功能，这一发现改变了人们对 RNA 的认识。除了这个发现，杜德纳在绍斯塔克实验室的还有一个收获。她在实验室经常看到，作为生物学家的绍斯塔克会读一些跟眼下研究并无多大关系的论文，比如应用数学。兴趣广泛的绍斯塔克让杜德纳逐渐认识到，只有足够好奇、涉猎足够广泛，'看得见整间屋子，你才能抓住藏在角落里的科学发现'。而这一点，对她的研究生涯产生了深刻影响。

拿到博士学位后，杜德纳前往 1989 年诺贝尔生理学或医学奖得主托马斯 · 切赫（Thomas Cech）的实验室做博士后研究。在这里，她同样做出了重要发现：与切赫一同确定了一种重要的 RNA 分子的三维结构。

2002 年，杜德纳在加利福尼亚大学伯克利分校获得教职，担任生物化学和分子生物学教授。正是在这里，关于基因编辑的故事开始了。

2005 年的一天，杜德纳接到一个电话，来自吉莉恩 · 班菲尔德（Jillian Banfield）。后者是杜德纳的同事、加利福尼亚大学伯克利分校的地球和行星科学教授。她在研究一所废弃矿场里的微生物时，在它们的基因组里发现了一些重复的 DNa. 片段——这些片段就是规律成簇的间隔短回文重复序列，英文名的缩写为 CRISPR。班菲尔德想知道 CRISPR 有什么用，于是她给正在研究 RNA 的杜德纳打了电话。

杜德纳立刻被这一现象吸引了，她也想弄清楚 CRISPR 在细菌中有什么作用，于是开始寻找相关线索。在接下来的几年中，杜德纳和同事发现，CRISPR 有点像人类的免疫系统，能够记录曾经入侵的病毒的遗传信息，并储存起来，形成'记忆'。

2011 年 3 月，杜德纳前往波多黎各首府圣胡安参加美国微生物学会会议。在这里，她第一次见到了法国微生物学家、遗传学家埃马纽埃尔 · 沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier）。两位科学家在交流时发现，两个实验室居然都在研究 CRISPR，并且后者也刚开始研究 CRISPR 系统里面的一种特殊蛋白质，叫做 Cas9。很快，两位科学家就决定开展合作。杜德纳派出了资深的博士后研究员马丁 · 伊内克（Martin Jinek），和夏彭蒂耶一起工作。

合作也许是科研最好的催化剂。几个月后，他们就弄清楚了 CRISPR 系统中 Cas9 的工作原理。作为细菌免疫系统的一部分，CRISPR 系统能产生携带病毒遗传信息的 RNA 序列。接下来，这段 RNA 序列就能引导 Cas9 蛋白，在细菌 DNA 分子上找到入侵的病毒 DNA 序列，并把它剪掉。

清楚的工作原理是从发现到发明的桥梁。杜德纳和沙尔庞捷很快发现，细菌 CRISPR 系统里的 RNA 能引导 Cas9 剪掉任一特定的 DNA 序列。并且，这种方法在很多物种的细胞中都能工作。他们意识到，一项新的基因编辑技术诞生了！

这项研究发表到《科学》杂志上之后，立即引起了全球性的关注。与其他基因编辑技术相比，CRSIPR 操作简单，成本低廉，并且无比高效，因而很快就在世界各国的生物实验室中得到了应用。对于 CRSIPR 的普及速度，就连杜德纳本人都感到吃惊：'我们刚刚发明出来，大家就开始使用了。'

除了研究，CRISPR 也在其他领域引发了变革。长期以来，农业领域的科学家通常都用人工选育的方式来培养新的作物品种。这种方法不仅耗时，而且不一定能获得想要的性状。但利用 CRISPR，科学家就能在很短的时间里改造农作物的基因和性状。这样的前景也让商业界看到了巨大的机会。2018 年成立的 Pairwise 公司打算用 CRISPR 技术，让水果和蔬菜口感更好，更加适合直接食用，提高它们在年轻人中的受欢迎程度。目前，Pairwise 公司已经拿到了超过 2500 万美元的投资。

医学是 CRISPR 的另一个重要应用领域。医生很早就知道，一些遗传疾病是基因突变造成的，如杜氏肌营养不良症（DMD）。在这类患者中，由于基因发生了突变，参与肌肉收缩的蛋白质的合成量不足，患者的肌肉将逐渐萎缩，直至完全丧失运动能力。目前，DMD 还没有有效的治疗方法，只能依靠药物减缓病情恶化，但 CRISPR 或许能改变这一局面。一些制药公司正在试验两种治疗方法，一是尝试修复突变的基因，让它产生正常的蛋白质；二是切除突变所在的 DNa. 片段，这样产生的蛋白质虽然功能不全，但仍能行使一定功能。

《环球科学》：你如何看待 CRISPR 的重要性？

杜德纳：CRISPR 能轻易地改变任何生物的遗传信息，甚至包括人类自身。它的准确性和高效性深刻改变了基础研究，为生物学、农业和医药带来了很多新的研究方向和发现。比如，科学家开始用 CRISPR 技术来寻找特殊疾病的治疗方法，制造新型可再生生物燃料，以及培育对环境更耐受的经济作物。

现在，即便只有很少的生物学知识的人也能使用 CRISPR。美国和欧洲的一些中学已经把这项技术作为学习内容，学生们甚至可以动手操作。一家公司还推出了一款不到 200 美元的 CRISPR 实验套装，让使用者在家就能编辑酵母的 DNA。CRISPR 带来的改变是巨大的。当然，我们需要更加负责地去使用这项技术。

《环球科学》：鉴于 CRISPR 的便捷性和广泛应用，它能否成为基因编辑的终极工具？

杜德纳：除了 CRISPR，其他能切割 DNA 分子的蛋白质还有锌指核酸内切酶（zinc finger nucleases）和类转录激活因子效应核酸酶（TALENs），但它们都更加昂贵，而且耗费时间。

在基因编辑中，CRISPR 只负责一半工作。当某段 DNA 序列被 CRISPR 切除，细胞中的天然蛋白质就会尝试修复 DNA 分子，通常是添加或切除一些 DNA 序列。目前，科学家仍在研究这样的 DNA 修复过程，了解其中的原理并加以控制。在治疗遗传疾病时，这一点是必须要考虑的。另一方面，科学家也在开发更好的传送方式，让 CRISPR 在进入细胞后更精准地发挥作用。CRISPR 还不完美，仍有改善的空间。

《环球科学》：CRISPR 技术对未来还将产生什么影响？

杜德纳：在个性化医疗领域，CRISPR 技术推动了多款个性化药物的发展，帮助病人获得更好的治疗。在未来的几年里，通过修复基因突变，CRISPR 还有望治愈一些严重的遗传疾病，如镰状细胞贫血。现在有很多研究团队和公司都在研究这个方向，并且有望在不久的将来找到治疗方法。如果他们获得成功，我们就能用 CRISPR 去治疗其他单基因突变导致的遗传疾病。

我们现在面临的挑战，是如何把 CRISPR 工具传送到细胞或组织里面。所以，从这个角度考虑，血液疾病可能是用 CRISPR 治疗的首选，因为我们能把血细胞取出来，在体外进行基因修复后再送回体内。在接下来的 10 年里，CRISPR 将更加融入生活——从我们吃的食物到医生给我们推荐的治疗方案，它的应用将覆盖整个生物世界。

《环球科学》：你目前在做哪些研究？

杜德纳：在我的实验室里，我们主要有 4 个研究方向：第一，研究 CRISPR 系统的结构和工作原理，包括 CRISPR 系统如何获取病毒的 DNa. 片段以及 CRISPR 系统如何利用 RNA 定位需要剪切的基因序列；第二，利用基因组分析方法，在不同微生物群体身上寻找更有效的基因编辑技术；第三，将 CRISPR 用于病毒检测（如 HPV 病毒）；第四，用 CRISPR 编辑动植物细胞，达到治疗疾病或提高主要农作物产量的目的。

在加利福尼亚州创新基因组学研究所（Innovative Genomics Institute， IGI），我们主要研究 CRISPR 在生物医药、农业、微生物学、科技和社会方面的应用和影响。另外，鉴于 CRISPR 的广泛应用，我们也在推动科学家与经济学家、公共政策研究者、法律制定者开展对话，来充分了解 CRISPR 对我们社会造成的影响。

《环球科学》：你还对哪些研究感兴趣？

杜德纳：我最近注意到了这样一项研究，就是将尼安德特人的部分基因导入在体外培养的人类细胞。我想了解的问题是，注入尼安德特人的基因后，单个细胞会有什么变化？我们能否从中发现尼安德特人与我们的不同之处？

这项研究非常有趣，而发现 CRISPR 的故事也很好地说明了，支持以兴趣为驱动的基础生物学研究，有可能会推动人类社会的下一次重大突破。所以，我很期待上面这项研究得到让我们眼前一亮的结果。

《环球科学》：最近一段时间，你做了很多演讲，也写了一本书，呼吁对 CRISPR 技术加强监管。科学界在这方面取得了哪些进展？

杜德纳：在一开始，我非常不适应公开谈论 CRISPR 的影响，但我逐渐认识到我必须站出来。因为我参与发明了这项技术，因此需要承担更多责任。

跟很多颠覆性的技术一样，CRISPR 有能力大幅改善我们的生活，但也可能带来一些未知的影响。我们正在与法律制定者密切交流，建立更有力的预防措施，确保 CRISPR 技术的使用是安全的、负责的。同时，政策应当在技术的发展和限制之间寻求平衡，避免产生阻力。

我相信，我们有能力建立有效的监管措施，让 CRISPR 继续在治疗遗传疾病、农作物改造和物种保护等领域发挥作用。

《环球科学》：CRISPR 技术的出现，离不开团队合作。你怎么看待科研上的合作？

杜德纳：我在一所公立大学工作，因此会和本科生、研究生一起工作。所有人的背景都不一样，即便如此，大家仍能共同工作。因为合作对科研的成功至关重要。实际上，我们社会中很多重大的科研进展，都是多学科合作的结果。在我的实验室和创新基因组学研究所，我们倡导开放、合作的工作方式，积极与其他优秀的研究团队交流。