【微生物与诺贝尔奖系列科普】CRISPR基因编辑技术的奥秘

2024-06-13 17:00   四川  


Microbiology & The Nobel Prize

微生物与诺贝尔奖

第十三期

CAMPUS EDUCATION

本科生做科普



  许多微生物学先驱者,孜孜不倦、科学探索,取得了一系列划时代意义的伟大成就,在人类文明史上留下不可磨灭的一页,并因此被授予诺贝尔生理学或医学奖。他们的科学精神与成长故事激励着后人不断勇攀科学高峰。

  《临床微生物学检验技术》课程于2020-2021级医检系开设“微生物与诺贝尔奖”系列科普活动,共计16个专题,推文均由本科生撰写,鼓励学生团队协作、感悟微生物学大家风范。



走进诺奖人物

北京时间2020年10月7日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,法国科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和美国科学家珍妮弗·安妮·杜德娜(Jennifer A. Doudna) 获得2020诺贝尔化学奖,以表彰她们发现基因编辑技术的有力工具:CRISPR-Cas9基因剪刀。值得关注的是,这是诺贝尔化学奖首次同时授予两名女性科学家。

诺贝尔化学奖委员会称:“卡彭蒂耶和杜德娜开发的CRISPR-Cas9”基因剪刀,极其精准地改变了动植物和微生物的DNA。这种开创性的方法彻底改变了分子生命科学。”

巴黎南部小镇多才多艺的"女神"

法国科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶

(Emmanuelle Charpentier)

1968年,卡彭蒂耶出生在巴黎以南约25公里的一个小镇夏潘捷。卡彭蒂耶非常喜欢艺术、音乐和舞蹈,钢琴,演奏和现代舞也有涉猎。她表示“艺术对我的科学事业产生了重大影响:你需要严谨,但也需要能够放手。”

对卡彭蒂耶来说,生物学的复杂性令她着迷。她还记得父亲教会她许多植物的拉丁名。她笑着说:“也许这影响了我对科学的追求。”

2002年,卡彭蒂耶在维也纳大学成立了自己的研究小组,专注于化脓性链球菌。卡彭蒂耶首先研究这种细菌的基因是如何调控。该研究方向是发现基因剪刀的第一步。


出生书香门第的女学霸

美国科学家珍妮弗·安妮·杜德娜

(Jennifer A. Doudna)

杜德娜从小对生物化学有浓厚的兴趣。父亲送她一本诺贝尔生理医学奖得主詹姆士华生(James Watson)的著作《双螺旋:发现DNA结构的故事》(The double helix),书中完美对称的双股螺旋结构所展现的生命奥秘吸引了杜德娜,激发了她对科学的追求与渴望。

2012年,杜德纳和同事们在链球菌“CRISPR”免疫系统中发现Cas9蛋白质,该蛋白质可引导RNA协同工作,攻击目标病毒DNA,像剪刀一样将其切成薄片,从而阻止病毒感染细菌。该发现减少了编辑基因组DNA所需的时间。

“基因女神们"的命运交集

2011年

杜德娜参加在波多黎各举行的美国微生物学会会议时,会见了当时在瑞典于默奥大学工作的卡彭蒂耶。她们因对CRISPR-Cas9的共同兴趣,决定尝试开展合作,共同研发CRISPR技术。

2012年

这是一场横跨大西洋的合作。经过数月工作,团队研究取得了决定性突破。2012年,她俩在《科学》杂志发表论文并首次指出,CRISPR-Cas9系统在体外实验中能“定点”对DNA进行切割,可显著提升基因编辑效率。

什么是CRISPR技术?

CRISPR- Cas基因结构图


CRISPR-Cas包括:反式激活crRNA、编码Cas相关蛋白的基因、重复序列和间隔序列。

CRISPR:是原核生物基因组内的一段重复序列。

Cas基因:位于CRISPR基因附近或分散于基因组其他地方,所编码的蛋白可与CRISPR序列区域共同发生作用。

CRISPR的发展历程

1987

日本科学家发现:大肠杆菌有一种从未报道的五个短重复DNA片段。

1990

该序列在微生物中普遍存在,被命名位“成簇的规则间隔短回文重复序列”,简称CRISPR。

2008

Eugene Koonin团队首次展示了CRISPR-Cas9系统如何工作。

2016

Cas9融合蛋白的碱基编辑器生成。


双刃剑——

CRISPR技术的应用与争议

基因工程领域 :

CRISPR/Cas 9技术是众多基因编辑工具之一,可用于基因敲除、多重编辑、基因抑制、激活、功能基因组筛选等。

生物医学领域

①筛选及鉴定药物靶标基因。 

②疾病建模及产生器官供体。 

③修正某些遗传缺陷疾病和进行基因治疗。

④进行靶向人类病毒(如HIV-1)的研究。

⑤编辑人类胚胎基因组。

两大争议

①哲学领域的深思——在生殖医学领域,CRISPR-Cas9技术应用边界在哪儿?

②寻求技术发展和生命伦理的平衡——人们对CRISPR技术了解有限,该技术仍需大量研发工作,以免出现不可预见的后果。





参考文献

[1]重写“生命密码”,两位诺贝尔化学奖得主的成长故事  

[2]知乎:2020年诺贝尔化学奖:基因编辑,众望所归

[3]CRISPR-Cas9基因编辑技术简介 

[4]重写“生命密码”,两位诺贝尔化学奖得主的成长故事

[5]Yuan B, Yuan C, Li L, Long M, Chen Z. Application of the CRISPR/Cas System in Pathogen Detection: A Review. Molecules. 2022 Oct 18;27(20):6999. doi: 10.3390/molecules27206999. PMID: 36296588; PMCID: PMC9610700

(部分图片来源于网络,如有侵权请联系删除)

作者:

彭浩然、蔺佳艺、肖丽菲、张睦扬

(2021级医检系)

指导老师:李梦娇

编辑:黄曦悦


微信号|华西临床微生物室



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