从救命神药到“基因编辑婴儿”，CRISPR为何成为争议的漩涡
2020年诺贝尔化学奖授予了埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）和詹妮弗·杜德纳(JenniferAnneDoudna） ， 获奖原因是开发了一种基因编辑的方法 。
上一次这个名字进入大众视野 ， 还是2018年11月的“基因编辑婴儿” 。
基因编辑技术是什么？
是谁发明了这个相当于金矿的技术 ， 又是谁让它熠熠生光？为什么中间出现了利益之争？卡彭蒂耶、杜德纳和华人科学家张峰 ， 有过怎样的较量？
这些问题 ， 将在本文一一解答 。
如果盘点一下生命科学最近五年的大新闻 ， 有一个词是无论如何也绕不过去的 ， 那就是“基因编辑” 。
离我很远 ， 不明觉厉 ， 偏偏又经常听说——这也许是一般人对基因编辑的几个印象 。 抛开媒体的种种称赞反思深刻批判不谈 ， 咱今天就事论事地来讲讲 ， 这基因编辑究竟是个什么东东 ， 又能带给我们些什么西西？
基因好好的 ， 为什么要被编辑？
如果你想了解汽车某个零件的功能 ， 你会怎么做？最简单粗暴的办法就是把这个零件拆了 ， 改了或是多装几个 ， 看看汽车会出现什么变化 。
研究基因的过程差不多也是这回事：将生物的基因序列做某种改造 ， 看看生物会因此出现什么变化 ， 从而了解那个基因可能的功能 。
把基因拆了、改了之类的操作 ， 就可以叫做“基因编辑”
。
不过 ， 想拆螺母只要找个扳手 ， 而编辑基因可就
艰难
【从救命神药到“基因编辑婴儿”，CRISPR为何成为争议的漩涡】多了 。 基因是潜藏在细长DNA链中的一段段序列 。 对于包括人类在内的多细胞生物来说 ， DNA被细胞层层叠叠的膜结构保护着 ， 还有非常严谨的DNA修复机制应变 。 可以想象 ， 细胞当中的DNA犹如一个身处于城堡之中的“小公举” ， 身边还有一大堆仆从侍卫保护 ， 想对它做什么手脚 ， 并不简单 。
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因此数十年来 ， 科学家一刻也没有停止过寻找更高效的基因编辑工具 。
派往基因的“特务”
经过仔细研究 ， 科学家发现 ， 那保护DNA的堡垒里安保人员虽多 ， 但好在智商捉急 。 比如当基因受到损伤的时候 ， 负责具体修复工作的蛋白质只是在细胞里拉一段DNA过来跟损伤的DNA比对一下 ， 如果两者长得差不多 ， 拉来的那段就被当做模板拿去修复了 。
上世纪八十年代 ， 奥利弗·史密斯（OliverSmithies）等科学家就想了一招：故意塞给细胞一堆“假模板” 。 他们首先根据需要人工合成一些DNA ， 并且故意把这些DNA序列设计得和某个基因的序列有点像 ， 然后将它们塞到细胞里面去 。 细胞果然没让人失望 ， 真的就
拿“假模板”张冠李戴地修复了真的基因 ， 结果把基因“修复”成了科学家所希望的样子
。
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奥利弗·史密斯（OliverSmithies） ， 遗传工程的奠基人之一 ， 他也因此分享了2007年的诺贝尔生理或医学奖 。 图
这种被称为“同源重组”的技术差不多就是最原始的“基因编辑” 。 只不过 ， 这种“基因编辑”的前提是目标基因要自己出现损伤并启动细胞的修复机制 。 然而 ， DNA本就被重重保护 ， 难得出现一丢丢损伤 ， 你还要这损伤刚好出现在某个基因上 ， 这种事可遇不可求呀 。
不过 ， 科学家的服务向来贴（xie）心（e）：你细胞的DNA不容易受损伤 ， 我就帮你受伤嘛——送个“特务”去细胞里搞破坏就是了 。 可难的是得让这特务只破坏科学家希望他破坏的基因 ， 而不伤无辜吃瓜基因分毫 。 这样高素质的特务 ， 当时科学家费了老鼻子劲在自然界中找了二十几年也没找出来 。
到了21世纪初 ， 他们心一横想 ， 既然世上没有 ， 那干脆人工造好了 。 于是 ， 两个“
人造特务
”出现了：一个是Sangamo公司主导研发的“锌指核酸酶”（Zinc-fingernucleases ， ZFNs） ， 令一个则是由全球众多科学家一点一点捣鼓出来的“转录激活因子样效应物核酸酶”（transcriptionactivator-like(TAL)effectornucleases ， TALENs） 。
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ZFNs和TALENs都由两个部分融合组成 ， 其中一部分认基因特别准但是不懂破坏 ， 另一部分破坏力超群但是脸盲 。 人们本希望这样的组合可以各取所长 ， 成为出色的人造特务 。 但实际用起来 ， ZFN太傻不好使唤 ， TALENs既不够狠又不够准 。 虽然能凑活用 ， 但常常令科学家吐血三升 。
不行 ， 还得换 。
2003年 ， 西班牙微生物学家弗朗西斯科·莫伊卡（FranciscoMojica）给《自然》杂志投了个论文 ， 惨遭拒稿 。 后来这篇论文又相继投递给了《美国科学院院刊》《分子微生物学》以及《核酸研究》等一系列期刊 ， 但也都遭到了冷落 。
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弗朗西斯科·莫伊卡（FranciscoMojica） ， CRISPR系统第一个发现者 。 图片来源：RobertoRuiz/Universityof
原因无它 ， 因为这个研究的结论实在是太奇怪了 。
莫伊卡在论文中指出 ， 细菌和古菌当中广泛存在一种免疫机制 ， 可以记住之前感染过它们的病毒的基因特征 ， 从而展开针对性的防御 ， 大有“同一个招式不能对圣斗士用两次”的意思 。 在当时人们的观念中 ， 这些单细胞的细菌、古菌何德何能有这种厉害的免疫系统？
直到2005年 ， 莫伊卡的研究成果才被个比较一般的学术期刊《分子演化杂志》所接收 。 从此以后 ， 一个新的术语开始进入了人们的视野——“规律成簇间隔短回文重复”（Clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats） ， 简称CRISPR（读作“克瑞斯破儿”） 。 [注1]
在随后五六年里 ， CRISPR犹如一个吸引无数玩家参与的拼图游戏 ， 一块又一块的拼图碎片被世界各地的玩家拼接到位 。 终于在2011年 ， 属于CRISPR的最后一块关键碎片被埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶（EmmanulleCharpentier）拼了上去 。
她的论文昭示了CRISPR作为基因编辑工具的实力——科学家们苦苦寻觅的那位“天然特务” ， 或许近在眼前了
。
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埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶（EmmanulleCharpentier） ， 欧洲著名CRISPR专家 ， 现代基因编辑技术的创始人之一 。 图片
技惊四座的CRISPR
当时 ， 全世界研究基因编辑（那阵子还叫遗传工程）的专家正被用起来如砂石咯牙般的ZFNs和TALENs弄得苦不堪言 ， 卡彭蒂耶的研究自然逃不过他们虎视眈眈的眼睛 。 不久之后 ， 卡彭蒂耶就在美国微生物学学会上 ， 遇到了那个后来为她带来无数荣誉与争议的人——詹妮弗·杜德娜（JenniferDoudna） 。
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詹妮弗·杜德娜（JenniferDoudna） ， 美国著名结构生物学家与基因编辑技术专家 ， 与卡彭蒂耶共同开创了第一代
杜德娜是加州大学伯克利分校的结构生物学教授 ， 在此之前主要研究跟RNA有关的生物大分子结构 。 说起来 ， 基因编辑只能算是她的“副业” ， 但是副业并不意味着业余 。 杜德娜与卡彭蒂耶合作不到一年时间 ， 就发表了一篇在基因编辑史上里程碑性质的论文 。
在论文中 ， 她们先是证明了一种拥有SpCas9蛋白的CRISPR系统（注：自然界不同细菌和古菌的CRISPR系统都有所不同）最适合作为基因编辑的工具 ， 因此后来这套基因编辑工具又被称为CRISPR/Cas9技术 。 之后 ， 她们又用这套系统成功编辑了大肠杆菌的基因 ， 结果表明CRISPR/Cas9比起之前的ZFN和TALENs高到不知道哪里去 。
CRISPR进军基因编辑领域的第一枪 ， 就此漂亮打响
。
而当杜德娜和卡彭蒂耶还在波多黎各谈笑风生时 ， 一位来自麻省理工学院的科学家也敏锐地意识到了CRISPR的光辉前景 ， 他的名字 ， 叫做张锋 。
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张锋 ， CRISPR/Cas9技术创始人之一 ， 世界最一流的CRISPR/Cas9专家 ， 基因编辑技术的集大成者 。 图片来源：news
张锋不是一般人 。 在哈佛读本科期间 ， 他师从于国际著名显微成像大牛 ， 差一点拿诺贝尔奖的庄小威 。 读博时 ， 他的导师是国际著名神经学技术大牛 ， 长期挣扎着想拿诺贝尔奖的卡尔·戴塞尔罗斯 。 博士后时期 ， 他工作在国际著名分子生物学大牛 ， 准诺贝尔奖级研究者乔治·邱奇的实验室 。 在麻省理工学院工作阶段 ， 他隔壁的实验室则属于一生多次与诺贝尔奖擦肩而过的鲁道夫·耶内施 。
从高中开始 ， 张锋已经接触基因编辑领域 。 当杜德娜与卡彭蒂耶率先发表出她们的学术成果时 ， 其他人可能因为痛失先机而发出一声哀嚎 ， 而张锋却一眼就看出了她们成果里那个小小瑕疵 。
的确 ， CRISPR/Cas9是个好特工 ， 但是杜德娜她们还没有把这个特工训练完全 。 对于细菌之类结构简单 ， DNA缺乏保护的细胞 ， 当时的特工或许可以胜任 ， 但包括我们人类在内的各种动物的细胞有着层层膜结构 ， DNA可谓身居堡垒之中 ， 而杜德娜她们开发的CRISPR/Cas9根本就无法“潜入”堡垒深处 ， 连DNA的面都别想见着 ， 根本是有力使不出来 。
张锋对CRISPR/Cas9做了几处微小而巧妙的修饰 ， 一举解决了这个问题 。 在杜德娜的论文发表后半年左右 ，
张锋成了第一个用CRISPR/Cas9编辑哺乳动物细胞基因组的科学家
。 [注2]
可这下事情就比较微妙了 ， 如果说杜德娜和卡彭蒂耶发现了一座金矿 ， 那么张锋就相当于是最先找到了这个金矿中的金子 。 如果按照学术界谁先发现就归谁的惯例 ，
CRISPR/Cas9的发现 ， 就成了一笔糊涂账
。
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Cas9与引导RNA和目标DNA结合时的晶体结构示意图 。 图片来源：doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.001
名与利之歌：专利的游戏
化敌为友总是首选 。 一开始 ， 张锋及其盟友希望能拉拢杜德娜等人 ， 他们合伙开了家名叫EditasMedicine的公司 ， 想着到时候专利共享 ， 岂不美哉 。 可惜没过多久 ， 杜德娜等人就和张锋等谈判破裂 ， 单飞出去办了一家名为IntelliaTherapeutics的公司 。 两个阵营关于CRISPR/Cas9的专利之争 ， 摆上了台面 。
按理说 ， 杜德娜和卡彭蒂耶发表论文在先 ， 申请专利也比张锋他们早得多 ， 优势很大 。 但这愣是被张锋团队一套组合拳给破功了
。 首先 ， 张锋团队借助一系列司法解释把CRISPR的专利拆成了好几十份 ， 从法理上把“金子”和“金矿”的所有权分了开来 ， 然后又花钱走了专利审核的“快速通道” ， 让他们的专利比杜德娜的更早获得通过 。 最后 ， 他们还巧妙运用了美国时任总统奥巴马的一些新政策 ， 提出这个专利的有效性要基于“谁先完成研究”而非“谁先申请专利” ， 为此张锋瞬间掏出了过去两年的详细实验记录 ， 明明白白地记录着他早在杜德娜的论文发表之前就已经走在了她的研究进度之前（同学们 ， 知道记实验记录的重要性了吧！） 。 过了整整九个月 ， 杜德娜团队才整理出自己的实验记录来加以反驳 。
2016年初 ， 张锋的上司 ， 博德研究所所长埃里克·兰德尔写了一篇争议巨大的综述《CRISPR英雄谱》 ， 把张锋拔高到了无以复加的位置 ， 而杜德娜则被归进了为CRISPR基因编辑技术奠定基础的芸芸众生之中 。 那边厢 ，
张锋果断宣布对学术界开放CRISPR/Cas9基因编辑的专利 ， 只要研究不是出于商业目的 ， 就可以随意免费地使用
。 不仅如此 ， 他还把自己的研究资源（主要是质粒）放到公共库中 ， 免费分发于天下 。 这一举赢得了整个学术界的支持 。
更重要的是 ，
张锋团队很快就把CRISPR/Cas9玩出了花
——自2013年至今 ， 张锋发的论文之多足可用排山倒海来形容 ， 随便哪一篇开拓这一片科研新天地 。 自CRISPR/Cas9发明以来 ， 其一半重大突破都出自张锋之手 ， 剩下的也多少用到了张锋免费分发的科研资源 ， 几年下来 ， 张锋在基因编辑领域一哥的地位几近无可撼动 。 2014年 ， 美国专利商标局（USPTO)批准了张锋所在的博德研究所的专利请求 ， 来自加州大学的上诉也在2016年被悉数驳回 。
不过杜德娜的团队也不是吃素的 。 虽然博德研究所看似在美国全胜 ， 可到了欧洲和中国等地 ， 专利认证就站到了杜德娜一边 。 除此以外 ， 杜德娜和卡彭蒂耶还频频在各种高级学术奖项和学术峰会亮相 ， 比如在2015年她俩就获得了有豪华版诺奖之称的“生命科学突破奖” 。 所以目前就世界范围而言 ， 两拨人马可谓势均力敌 。
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杜德娜与卡彭蒂耶共同荣获2015年生命科学突破奖 。 图片来源：indep
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