专访新科诺奖得主杜德纳：未来10年，CRISPR将融入生活
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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。
