2020年诺贝尔化学奖得主——打破“玻璃天花板”的女科学家

最近，纽约大学隆格尼医学中心的研究人员将经过基因编辑的猪的肾脏与脑死亡状态的人类志愿者的大腿血管联系起来，猪的肾脏很快产生尿液和排泄废物，正常工作了54个小时。

2020年诺贝尔化学奖颁给了开发出CRISPR/Cas9基因编辑技术的两位女性科学家，这一技术具有低成本、强易用性和高效率的特点，促进了生命科学的突破性发展，也使它拥有了巨大的商业价值。本文回顾了2020年诺贝尔化学奖两位得主的科研历程和基因编辑领域的成就，并提出了相关的思考和启示。

2020年10月7日，瑞典皇家科学院宣布2020年诺贝尔化学奖授予马克斯·普朗克病原学研究室的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Marie Charpentier）教授和加州大学伯克利分校的珍妮弗·杜德纳（Jennifer Anne Doudna）教授，以表彰她们“开发出一种基因编辑方法”。

埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（左）和珍妮弗·杜德纳（右）

CRISPR/Cas9“基因剪刀”是基因编辑技术中最强大的工具之一，具有成本低、易用性强和效率高等特点，为整个生命科学的发展带来了无限可能。

科研历程

• 杜德纳的生命科学之旅

珍妮弗·杜德纳，1964年出生于美国华盛顿特区，在父母的鼓励下，杜德纳从小便热爱探索。

受高中时一场关于细胞癌变的讲座影响，她进入加州波莫纳学院学习生物化学，毕业后进入哈佛医学院，在杰克·绍斯塔克教授指导下读博，期间改造了催化性RNA，使之具有自我复制能力，为证明RNA是早期生命的基础提供了依据。

1991年，杜德纳进入科罗拉多大学博尔德分校做博士后，致力于RNA微观构造研究；1994年，加入耶鲁大学分子生物物理与生物化学系担任助理教授；2000年担任教授并受邀为哈佛大学客座教授；2002年进入加州大学伯克利分校。

在加州大学伯克利分校，杜德纳开始接触与CRISPR相关的研究。

她注意到，CRISPR结构中非重复的序列部分可能与多种病毒的遗传基因相关，细菌在自身RNA中保留病毒的遗传密码，作为对抗宿敌留下的记录，并成为免疫系统的一部分，来保护自身免受病毒的下一次侵害。

这一功能的机制同杜德纳正在研究的RNA干扰非常相似，为了解其运作的原理，她的团队开始关注一种与CRISPR相关的特殊基因——Cas。

几年后，他们成功揭示了数种不同Cas蛋白质的功能，发现其作用机理非常复杂，需要多种不同种类的蛋白质共同作用才能够分解侵入体内的病毒，这种系统的复杂性使得杜德纳也感到难以理解。

• 卡彭蒂耶的辗转研究之路

卡彭蒂耶，1968年出生在法国朱维西，1986年进入巴黎第六大学学习生物化学、微生物学和遗传学；1992年进入法国巴斯德研究所攻读博士，研究抗生素抗药性分子机制；后进入纽约洛克菲勒大学，在托马宁教授的实验室做博士后，研究病原体肺炎链球菌利用其可移动基因原件改变其基因组的原理，同时尝试阐述肺炎链球菌如何产生万古霉素耐药性。

而在过去20余年的科研生涯中，卡彭蒂耶曾在5个国家、7个城市的10余家不同机构任职，从依赖短期资助经营自己的小实验室，到建立更为理想的科研平台，她的坚持为她带来了回报。

2008年加入于默奥大学，是她研究飞速进展的开端，她在对化脓性链球菌的RNA测序时曾注意到，这种细菌中存在某种未知小分子RNA，进一步的研究发现，其基因序列的一部分竟然与自身基因组中的特有CRISPR序列相匹配。

尽管此前并未接触过CRISPR的研究，但她与团队迅速开始工作，绘制了化脓性链球菌CRISPR系统图谱。

化脓性链球菌的CRISPR/Cas系统属于II型，仅需要一个Cas蛋白（Cas9）即可裂解病毒DNA。

卡彭蒂耶也认识到，细菌基因组中的CRISPR与Cas蛋白质裂解病毒DNA的过程，必须有这种小分子RNA（tracrRNA）才能够被激活。

上述成果于2011年3月发表在Nature上[1]，根据多年在微生物学方面的研究经验，她知道一些激动人心的事情将要发生了。

• 波多黎各的相遇

在文章发表后，卡彭蒂耶受邀参加美国微生物学会举办的学术会议，由此结识了杜德纳，两人决定共同开展CRISPR/Cas9系统的研究。

合作很快就取得了突破性的成果，她们发现当细菌受到“入侵”时，CRISPR序列会转录出precrRNA（crRNA的前体）和tracrRNA，两者相结合形成复合物，随后pre-crRNA被加工为带有单个病毒密码的成熟crRNA（CRISPR-derivedRNA），与一同加入连接队列的剪切蛋白Cas9共同形成天然的“基因剪刀”，游走在细菌细胞中，识别病毒感染并对其进行精确切割。

随后，她们尝试简化此结构，通过设计将tracrRNA与crRNA分子合二为一，并修改其中负责记忆的部分，使之与需要被切割的DNA位点相匹配，最终实现了在确定的位置精确切割DNA。

• 令人喝彩的大胜利

截止到2021年9月6日，卡彭蒂耶和杜德纳于2012年在Science发表的CRISPR/Cas9基因编辑技术的论文[2]总被引次数为7332。

CRISPR/Cas9技术论文引用次数统计

经过大量研究，CRISPR/Cas9基因编辑技术已在不同学科催生出很多重大成果。

如在植物研究领域，已用于开发耐干旱、严寒或者霉菌虫害的作物；在动物研究领域，尝试制造抗病猪，以及通过设计使猪具有含功能性人类细胞或组织的嵌合器官以用于人类器官移植；在微生物领域，可对酿酒酵母的基因组进行编辑；在医学领域，正在开展与“基因剪刀”技术相关的癌症新疗法临床试验，有望用于治愈遗传性疾病。

卡彭蒂耶和杜德纳的研究工作也为她们赢得了多个国际奖项，除诺贝尔化学奖外，她们还获得了2014年保罗·詹森博士生物医学研究奖、2015年生命科学突破奖、2015年格鲁伯遗传学奖和2016年加拿大盖尔德纳国际奖；卡彭蒂耶还于2016年获得德国研究基金会的莱布尼茨奖，并当选为瑞典皇家科学院院士。

思考与启示

• 掌声为了谁？

当我们庆贺CRISPR/Cas9的获奖时，也应想到这掌声不仅仅是为了卡彭蒂耶和杜德纳两个人，更是为了她们所代表的科研中的女性力量以及她们专注于基础研究的科学精神。

卡彭蒂耶和杜德纳获得诺贝尔化学奖，不仅是对CRISPR/Cas9技术价值的认可，同时也是对她们所代表的女性科研人员的肯定。

“尤其是对于年轻女性来说，看到女性的工作能够像男性一样得到认可，这太棒了”。杜德纳表示，“我认为对于许多女性来说，总是有一种感觉，她们的工作很难像男士一样得到认可，我们一直在期待着这种现状被改变，当然，我们现在就走在正确的路上”。

卡彭蒂耶也认为，自己得到认可，对于想要开始并长时间从事科研工作的年轻女性来说是一个非常积极的信息。

当女性科研工作者能够受到与男性同样的认可与期待，她们完全能够做出毫不逊色的科研成果以回馈社会。

正在从事不被看好或曾经不被看好的基础研究的科学家也应为此庆祝。

应用研究固然有推动社会发展的价值，但探究性的基础研究亦有不可取代的作用，有时甚至比应用研究更重要。

古细菌中的常见的回文重复序列簇集看似无用，而据其发现的“基因剪刀”却深刻改变了生命科学。

诺贝尔奖获得者萨拉姆也认为，“一个国家，特别是发展中国家要想得到长足的进步与国力的发展，那就必须重视基础科学”，科学家“需要明智的科学政策，长期的保证，慷慨的资助，以及实行自治和自由的国际交往”。

如此才能更高效地工作，不断推进国家科学技术的发展，进而提升综合国力和国际影响力。

• 是胜利还是陷阱？

CERISPR/Cas9技术的发现也引发了许多人的忧虑。

当我们拥有了轻易改造整个种群的基因的能力，控制这种能力就成为一件至关重要的事。

在推动技术发展的同时，两位技术开发者也表现出了对于CRISPR/Cas9基因编辑技术被误用的担心，并尝试着与多国科研工作者共同推动CRISPR/Cas9技术的研究与应用朝着更加明智的方向发展。

以纳帕谷会议为起点，杜德纳已在世界各地发表了60余次演讲，以鼓励人们充分了解并积极参与CRISPR技术应用范围的讨论。

2015年12月，由中国科学院与美国国家科学院、美国国家医学院和英国皇家学会联合举办的人类基因编辑国际峰会上，与会专家学者达成了协议，包括：允许利用基因编辑技术进行修改人类胚胎或生殖细胞的研究，但严格禁止经过修改的生殖细胞继续生存、发育。

基因编辑技术的影响广泛且深远，面对其发展问题，国际社会必须树立人类命运共同体意识。

后续如何加强技术交流与合作，在法律法规及伦理道德方面达成一致共识，仍需要国际范围内科学界和社会各界的共同努力与持续沟通。

• 快速商业化是喜是忧？

商业化是推动技术发展的强大动力，CRISPR/Cas9技术迅速发展，其巨大的商业潜力催生了一批公司。

很多传统大型医药公司与CRISPR技术持有者进行合作研发并给予资金支持，此外市场投资方对CRISPR/Cas9技术的商业价值也保持着持续关注。

《CRISPR技术市场概述：从实验室到产业界2018》中指出，CRISPR/Cas9技术的市场将在生物技术和农业技术领域的应用推动下以44%的年增长率持续，到2023年预计可增长至50亿美元。

其中，基因治疗作为经济前景最广阔的领域，相关募资总额在2018年已达近39亿美元，对于该技术未来可能达到的整体市场规模来说，这是一个非常积极的信号。

但与此同时，大量资本涌入也可能催生一定的问题。

为了追求投资回报、争夺市场的主导权，资本必将不断催促科研工作者进行更快速、深入的研发。

在此过程中，如何保证既有的约定不被打破，进而保证CRISPR/Cas9技术的纯洁性，是一个需要全球科研工作者和政府部门、国际组织等共同面对的问题。

参考文献：

[1] Deltcheva E, Chylinski K, Sharma C M, et al. CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III[J]. Nature, 2011, 471(7340): 602-607.

[2] Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity[J]. Science, 2012, 337(6096): 816-821.

本文作者：陈彪，付小航，朱玥玮，狄雨萌，吴又进

作者简介：陈彪，中国科学技术大学科技史与科技考古系，副教授，研究方向为科技史、科技考古；吴又进（通信作者），中国科学技术大学科技史与科技考古系，副研究员，研究方向为科技史、科技考古。

论文全文发表于《科技导报》2021年第20期，原标题为《埃马纽埃尔·卡彭蒂耶、珍妮弗·杜德纳：因CRISPR/Cas9“基因剪刀”而获2020年诺贝尔化学奖的两位女科学家》，本文有删减，欢迎订阅查看。