杨先碧

基因被称为生命密码，因为生物的外在特征大多是由基因决定的。曾经，人们认为改变生命密码的方法只有繁殖和进化两种。随着越来越多生物基因图谱的完成，科学家似乎成了新时代的物种工匠，可以按照规则改变许多生物的基因，其中最重要的方法就是利用被俗称为“基因剪刀”的基因编辑技术。法国生物学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷和美国生物学家珍妮弗·杜德纳发现了一种特别好用的基因剪刀，她们因此获得了2020年诺贝尔化学奖。

修改生命天书

科学家常把基因组比喻为一本生命天书，而且是可以修改的。修改基因组的过程也因此被称为基因编辑，主要包括对某段基因进行剪切、删除、移动，以及粘贴等，其中最重要的步骤是剪切，因此基因编辑技术又常常被俗称为基因剪刀。

基因编辑是转基因之后人类找到的又一种基因工程技术。它在本质上与转基因并无不同，都是在改写生命密码，从而在分子水平上改变生物的遗传特性。在合成生物和育种技术等领域，两者可以取长补短;而在医学领域，基因编辑则更胜一筹。因为对某个物种进行基因编辑时不涉及其他物种的基因，所以基因编辑更容易被人们接受。

古老的基因剪刀

从20世纪90年代以来，科学家开发出多种基因剪刀。沙尔庞捷和杜德纳发现的CRISPR-cas，就是一种基因剪刀，如今已广泛应用于基因研究领域。之所以说她们“发现”而非“发明”了一种基因剪刀，是因为这种9年前发现的基因剪刀是个超级“老古董”，早已存在于自然界中，已经被细菌熟练地运用了数亿年。

CRISPR的意思是“成簇的规律间隔短回文重复序列”。这似乎念起来十分拗口，意思也令人迷惑。没关系！我们只要知道它是细菌防御病毒侵入的免疫系统即可。当细菌遭到病毒入侵后，CRISPR可以产生Cas质粒，并以此作为剪刀，剪切掉病毒DNA中的某些基因片段，从而将其杀灭。Cas质粒是细菌细胞内一种自我复制的环状双链DNA分子，能稳定地独立存在于染色体外。现在常用的Cas质粒大多数经过了改造或人工构建，是修改基因的重要工具。

发现基因剪刀

人们第一次知道CRISPR是在1987年，是日本分子生物学家石野良纯在大肠杆菌中偶然发现的。但是，限于当时基因科學的发展水平，他没有意识到这一免疫系统可以作为基因编辑工具。

进入21世纪，改变生物基因的基因工程学成了最热门的生物学研究领域。起初，沙尔庞捷研究的并不是基因剪刀，而是化脓性链球菌的生物特性。在研究这种细菌时，她发现了一种新的RNA分子，即tracrRNA，进而发现它是某些细菌免疫系统的一部分。

接下来，她发现这种免疫系统居然如同病毒切割机，可用一种切割酶去消灭病毒。她把这个系统命名为CRISPR-Cas。

2011年，沙尔庞捷发表了这项研究成果。同年，她与杜德纳开始合作，研究如何把这种基因剪刀用到其他研究中。她们在实验室中顺利重建了源自细菌的CRISPR-Cas，成功将天然免疫手段转化为可以利用的基因剪刀。

她们逐步简化基因剪刀的分子组成，以便让生物学家用起来更加趁手。如果善加利用，这把基因剪刀不但可以切割任何生物的基因，而且使用起来得心应手。利用这把基因剪刀，生物学家可以更加便捷地改写生命密码。

最好使的基因剪刀

自然界中的CRISPR-Cas类别繁多，其中第9号基因剪刀（CRISPR-Cas9）是科学家研究最深入、应用最成熟的。这种“剪刀”切割精准，速度最快，操作起来比较方便，是科学家手中最为锋利的基因“手术刀”，用于治疗人类遗传病或是改变其他生物的基因。目前，该技术成果已应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠，以及细菌的基因组精确修饰。

在用猪培育人类器官的研究中，科学家发现这种器官具有很大的风险性，因为猪基因组含有大量内源性逆转录病毒基因，可能引发未知的人类疾病。中国科学家杨璐菡利用基因剪刀CRISPR-Cas9，成功将猪肾上皮细胞基因组中的全部62个内源性逆转录病毒基因剪切失活。将基因编辑后的猪细胞和人类细胞一起培养，猪病毒对人类细胞的侵染率只是未经基因编辑猪细胞的千分之一。

基因剪刀将造福人类

CRISPR-cas9被科学家称为第三代基因编辑工具。相比前两代基因编辑工具（锌指核酸酶和转录激活样效应因子核酸酶），成本低、易上手和效率高是CRISPR-cas9的优势，因此风靡整个生物学界。科学界普遍认为，这是21世纪以来生物技术方面最重要的突破。

诺贝尔化学奖评选委员会评价沙尔庞捷和杜德纳的获奖成果说：“这个基因编辑工具拥有巨大能量，会影响我们每个人。它不仅在基础科学领域引发变革，还产生很多创新性成果，并将为癌症等疑难病症带来更加有效的疗法。”

人类目前用CRISPR-Cas9治疗的疾病主要为血液病和一些恶性肿瘤，而包括先天性失明、艾滋病和精神分裂症等在内的病症也得到了针对性的探索。

总之，基因剪刀开启了生命科学研究的新时代，正在越来越多地造福人类。