在基因編輯明星工具CRISPR的發(fā)明過(guò)程中，立陶宛科學(xué)家維吉尼亞斯·斯克斯尼斯（Virginijus ?ik?nys）領(lǐng)導的一個(gè)研究組經(jīng)常被忽略。

一直以來(lái)，美國加州大學(xué)伯克利分校的詹妮弗·杜德納和德國馬普協(xié)會(huì )感染生物學(xué)研究所的埃馬紐埃爾·夏彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）是媒體聚光燈下的中心。

直到2015年，博德研究所所長(cháng)埃里克·蘭德（Eric Lander）就CRISPR基因編輯技術(shù)的發(fā)明過(guò)程總結了一篇“CRISPR英雄譜”，斯克斯尼斯的工作被廣泛了解。

2018年5月，斯克斯尼斯和杜德納、卡彭蒂耶共同獲得卡弗里納米科學(xué)獎。

2018年9月，在挪威的卡弗里獎頒獎典禮上，斯克斯尼斯接受了《知識分子》的專(zhuān)訪(fǎng)。

 

采訪(fǎng) | LING

翻譯 | 王承志

責編 | 陳曉雪

 

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如何進(jìn)入CRISPR領(lǐng)域

 

 

《知識分子》：感謝您接受我們的采訪(fǎng)。我們想通過(guò)這次機會(huì )向中國讀者講述您和CRISPR的故事?？梢院臀覀冋f(shuō)說(shuō)您是如何進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的嗎？

 

斯克斯尼斯：我在立陶宛維爾紐斯大學(xué)工作。我多年來(lái)研究細菌的抗病毒免疫系統?？共《久庖咴诩毦蟹浅Ｖ匾?，因為細菌有個(gè)敵人——噬菌體。它就像細菌的寄生蟲(chóng)。噬菌體需要進(jìn)入細菌才能復制。復制完成時(shí)，噬菌體通常會(huì )殺死細菌。細菌能夠存活，是因為它們會(huì )構建多層防御，干擾噬菌體感染。

 

在我的實(shí)驗室里，多年來(lái)我們使用X線(xiàn)結晶、生物物理和生物化學(xué)等多種手段研究細菌不同的抗病毒免疫系統。很長(cháng)一段時(shí)間里，我們研究一些被稱(chēng)為限制性修飾系統的防御系統。這些限制性修飾系統通常作為細菌的第一道防線(xiàn)，它們由兩種酶組成，限制性?xún)惹泻怂崦负图谆?。限制性?xún)惹泻怂崦缸R別入侵噬菌體DNA中的短核苷酸序列并切割DNA。而宿主DNA受甲基化酶保護，甲基化酶識別的序列被甲基化，從而使宿主DNA不被限制性?xún)惹忻盖懈睢?/p>

 

因此限制性?xún)惹忻笍V泛用于分子生物學(xué)。多年來(lái)，我們想要了解它們如何實(shí)現獨特的特異性，以及它們如何識別DNA中的短序列。我們覺(jué)得，如果我們理解了限制性?xún)惹忻溉绾螌?shí)現其特異性的機制，也許就能夠設計出可以靶向任何DNA序列的新限制酶。雖然我們發(fā)現了一些限制性?xún)惹忻缸R別特定序列的規律，但我們也意識到如果要改變這些酶識別的序列那需要做很多蛋白質(zhì)工程的工作。因為它們的靶向機制是通過(guò)蛋白質(zhì)和DNA相互作用實(shí)現的。而且即使你能夠改變這些酶的特異性，大部分情況下它們識別DNA的能力比真的限制性?xún)惹忻敢蚕嗑嗌踹h。

 

所以，我對這些改造蛋白質(zhì)的努力感到沮喪和厭倦，想找點(diǎn)新的事情干。2007年，《科學(xué)》發(fā)表了一篇文章，報道了細菌中一種叫做CRISPR的新的抗病毒免疫系統。我立刻對它產(chǎn)生了興趣，我覺(jué)得我應該跳進(jìn)去做點(diǎn)研究。

 

這篇文章里描述的抗病毒免疫系統來(lái)自于一種叫做嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）的細菌，這種細菌通常用來(lái)生產(chǎn)奶酪和酸奶。我聯(lián)系了這篇文章的作者，問(wèn)他們是否可以提供菌株。我告訴他們我想研究這種細菌中的CRISPR系統，因為它抵御噬菌體的機制這和我現在正在研究的限制性?xún)惹忻赶到y很相似。但其分子機制還不清楚，我對CRISPR的分子機制的細節很感興趣。他們很慷慨地寄給了我菌株。

 

但是就像我之前說(shuō)的，這種細菌通常用來(lái)生產(chǎn)奶酪和酸奶，而我的實(shí)驗室并不懂如何生產(chǎn)奶酪和酸奶（笑）。所以我們考慮把嗜熱鏈球菌中的CRISPR系統轉移到大腸桿菌中。每個(gè)人都熟悉大腸桿菌，而且大腸桿菌也是我們實(shí)驗室干活的主力。

 

那么，問(wèn)題來(lái)了。嗜熱鏈球菌里有4種不同的CRISPR系統，一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是我們的研究中該選哪一種。我們決定選擇其中一個(gè)被稱(chēng)為CRISPR3的基因座進(jìn)行研究，這有兩個(gè)原因：一是這個(gè)基因座只有4個(gè)基因，所以這是個(gè)很小的系統。另一個(gè)原因是我們能夠識別出其中一個(gè)基因的特征，我們相信這是限制性?xún)惹忻富钚晕稽c(diǎn)的特征。這一點(diǎn)很重要。

 

所以把這個(gè)CRISPR系統轉移到了大腸桿菌里。讓我們驚奇的是，這個(gè)系統在大腸桿菌中也能保護大腸桿菌免受噬菌體的攻擊，如果這種噬菌體的基因序列在CRISPR區域有匹配的話(huà)。這是第一次證明了CRISPR系統是可以轉移的，你可以把CRISPR系統從一種生物里轉移到另一種生物里。這是個(gè)重要的發(fā)現，因為這證明它是有功能而且可以在物種間轉移。所以下一步就是把這個(gè)系統轉移到真核生物中。

 

所以顯而易見(jiàn)，下一個(gè)工作就是要理解這個(gè)系統在大腸桿菌中是如何工作的。在大腸桿菌中，你有很多種遺傳學(xué)工具可以使用，可以在CRISPR位點(diǎn)里一個(gè)一個(gè)地敲除基因，這樣就能理解哪個(gè)基因對DNA干擾功能是重要的。我們發(fā)現只有Cas9對于DNA干擾是重要的。所以我們嘗試從大腸桿菌里純化Cas9蛋白。純化以后我們發(fā)現了兩種RNA分子。其中一種就叫做CRISPR RNA。事實(shí)上，我們展示了Cas9在這兩種RNA分子的引導下，可以定位到入侵的DNA，并且Cas9可以產(chǎn)生導致DNA切割的雙鍵斷裂。所以到頭來(lái)，Cas9和限制性?xún)惹忻敢粯?，也是識別一個(gè)靶標DNA然后切割DNA。但有一個(gè)重要的不同，限制性?xún)惹忻缸R別DNA是使用蛋白質(zhì)-DNA相互作用，而在CRISPR系統中，Cas9使用CRISPR RNA來(lái)識別靶標DNA，顯然這讓重新編輯配對的序列變得異常容易。你只需要改變CRISPR RNA，就可以把Cas9帶到基因組上任何想靶向的序列。

 

這種易編輯的特性打開(kāi)了基因編輯實(shí)驗的大門(mén)，因為現在每個(gè)人都能編輯Cas9然后靶向基因組中任何序列。諷刺的是，我跳進(jìn)CRISPR是因為我想避免再研究限制性酶，但再一次的，這其實(shí)也是一種限制性酶，不過(guò)從功能上來(lái)說(shuō)使用完全不同的機制。所以我覺(jué)得非常非常有趣。當我們意識到Cas9的這種易編輯的特性，我覺(jué)得這為基因組編輯鋪平了道路。所以這幫助我繼續研究Cas9的分子機制。

 

當然，我們可能不是世界上唯一對CRISPR和Cas9感興趣的課題組。事實(shí)上，確實(shí)有其它課題組也專(zhuān)注研究CRISPR和Cas9的分子機制。所以，這個(gè)領(lǐng)域就有了一定的競爭，不過(guò)這種競爭在科學(xué)界永遠存在。

 

我們研究了Cas9工作的分子機制，然后當然我們決定把成果發(fā)表出去。我們首先把文章送到了《細胞》（Cell）雜志，三天后我們就收到了《細胞》的回信，說(shuō)他們不感興趣，他們甚至都沒(méi)有送審。這個(gè)回應確實(shí)有點(diǎn)讓人沮喪，因為我們相信這真的是一個(gè)重要發(fā)現。所以我們又把文章投到了《細胞報道》（Cell reports）?！都毎麍蟮馈芬膊幌矚g這篇文章，也沒(méi)有送審。所以我們只好做一些額外的工作把文章改成其它雜志的格式，最后決定把文章投到《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）。過(guò)了一段時(shí)間，PNAS把文章送審了，但評審花了很久很久的時(shí)間。到了6月份，Jennifer課題組在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了那篇CRISPR的論文。結果她們成了最先發(fā)表這個(gè)成果的的課題組。雖然我們是最先投稿的實(shí)驗室，但因為這個(gè)漫長(cháng)的投稿過(guò)程而變慢了。她們的發(fā)表非?？?，投到《科學(xué)》以后兩個(gè)星期文章就被接受了。

 

從基礎性研究到創(chuàng )新性應用

 

《知識分子》：這個(gè)投稿歷程還是非常曲折的。

 

斯克斯尼斯：這就是我們的故事。不過(guò)我還是很高興現在領(lǐng)域已經(jīng)認可了我們的貢獻。這也帶來(lái)很大的影響。首先，我們得到了很多媒體的關(guān)注；其次，你得到了解釋基礎科研和基礎研究重要性的機會(huì )，以及這些基礎研究如何產(chǎn)生突破性的應用，就像在Cas9研究中發(fā)生的這樣。我們從研究細菌的抗病毒免疫系統開(kāi)始，嘗試去理解細菌抵御噬菌體侵染最基礎的機制，結果卻轉到了一種新的分子。但這在科學(xué)研究中是經(jīng)常發(fā)生的。開(kāi)始的時(shí)候，你做非?；A的研究，嘗試去解答一些普遍的生物學(xué)問(wèn)題，然后經(jīng)常性地發(fā)現創(chuàng )新性的應用，并帶來(lái)新的技術(shù)，就像基因組編輯一樣。

 

《知識分子》：那下一步做些什么？

 

斯克斯尼斯：當然，正如你所見(jiàn)，Cas9被用到不同的模式生物中做基因編輯，Cas9也被用于不同的領(lǐng)域，從基礎的生物學(xué)領(lǐng)域到生物技術(shù)到醫學(xué)。但是，如果你回到細菌中，會(huì )發(fā)現仍然有很多抵御病毒的防御系統現在還沒(méi)人知道是如何工作的。所以，研究細菌如何抵抗噬菌體仍然是很有趣的，可能你會(huì )發(fā)現里面藏著(zhù)新的有用的工具，這就是科學(xué)發(fā)展的模式。

 

對CRISPR技術(shù)的態(tài)度將影響基礎研究

 

《知識分子》：歐洲和美國對待基因編輯技術(shù)的態(tài)度似乎不同？

 

斯克斯尼斯：歐洲法院認為任何生物，使用了CRISPR和Cas9編輯技術(shù)，那么就可以被認定是轉基因生物。但美國的判斷完全不同。他們的監管部門(mén)認為CRISPR只是基因編輯的一種技術(shù)，不能認為使用了CRISPR編輯的生物都是轉基因生物。這是由于兩邊對程序的看法不同。美國那邊可能是看最后的結果。因為CRISPR可以精準地做編輯，所以你可以對基因組進(jìn)行精確的操作，你完全知道你對生物做了什么。使用CRISPR技術(shù)得到了想要的作物，而且從結果上無(wú)法區分產(chǎn)物和用傳統方法得到的作物有任何不同，比如傳統的植物育種。而歐洲的看法則不同，他們更看重過(guò)程。你使用了基因編輯技術(shù)，更改了基因組，Cas9也是這種技術(shù)的一種，因此使用Cas9編輯的生物應該被看做轉基因生物。這完全是兩種不同的策略。

 

《知識分子》：所以你同意這是一種對技術(shù)的誤解？

 

斯克斯尼斯：這是不同的策略，但歐洲的做法最后可能會(huì )有些問(wèn)題，因為很難用相同的規則去套用不同的技術(shù)，因為如果技術(shù)改變了，那規則就無(wú)所適從。

 

《知識分子》：你認為這會(huì )對基礎研究產(chǎn)生影響嗎？

 

斯克斯尼斯：我覺(jué)得這些政策很可能對基礎研究產(chǎn)生負面影響，尤其對歐洲的科學(xué)家。相比美國科學(xué)家來(lái)說(shuō)，我們很可能錯過(guò)一些重要的技術(shù)轉化工作。（對于更多的影響，）我們將拭目以待。

 

《知識分子》：現在科學(xué)界、政策制定者和普通民眾對轉基因的態(tài)度已經(jīng)有巨大的鴻溝。我們接觸的每一個(gè)科學(xué)家幾乎都會(huì )說(shuō)轉基因技術(shù)是安全可控的，而政策制定者通常持懷疑態(tài)度，而普通民眾通常會(huì )說(shuō)我不想嘗試這個(gè)。你覺(jué)得問(wèn)題出在什么地方？同樣的事情出現在了CRISPR技術(shù)上，你作為一個(gè)科學(xué)家如何看待這件事？

 

斯克斯尼斯：正如你所說(shuō)，科學(xué)家對轉基因技術(shù)有清晰的看法，他們不認為這項技術(shù)有什么問(wèn)題，因為他們理解技術(shù)背后的整個(gè)過(guò)程，也知道轉基因生物是如何被創(chuàng )造出來(lái)的。顯然我們已經(jīng)有了足夠長(cháng)時(shí)間的觀(guān)察，我們也沒(méi)有發(fā)現轉基因生物對健康和其它方面產(chǎn)生了任何影響。但是，對普通民眾來(lái)說(shuō)，他們覺(jué)得問(wèn)題很大。我們需要科學(xué)界和科學(xué)家與普通民眾更多的溝通。我們需要多站出來(lái)解釋我們的工作，比如解釋CRISPR技術(shù)是怎么一回事。正如我現在跟你的交流，可能我也是在和中國讀者解釋我們的工作。

 

《知識分子》：所以你覺(jué)得科學(xué)家，尤其是在這個(gè)領(lǐng)域工作的科學(xué)家，需要更直率的交流？

 

斯克斯尼斯：是的，可能需要這樣，需要和大眾以及媒體多交流。

 

《知識分子》：所以我們交流地越多，大眾也會(huì )越接受？

 

斯克斯尼斯：沒(méi)錯，完全同意。當人們互相交流時(shí)，很多問(wèn)題就消失了。許多話(huà)題包括轉基因技術(shù)，都可以通過(guò)對話(huà)解決。

 

《知識分子》：非常謝謝您接受采訪(fǎng)。

 

人物簡(jiǎn)介

 

 

維吉尼亞斯·斯克斯尼斯，立陶宛維爾紐斯大學(xué)教授。

 

1956年1月26日，斯克斯尼斯出生立陶宛北部的古老城市?iauliai，并在那里長(cháng)大。

 

在中學(xué)，斯克斯尼斯對數學(xué)，物理和化學(xué)很感興趣，并參加了全國化學(xué)競賽和一些國際賽事。之后，他進(jìn)入維爾紐斯大學(xué)化學(xué)系，并對有機化學(xué)著(zhù)了迷。1978年，斯克斯尼斯獲維爾紐斯大學(xué)有機化學(xué)碩士學(xué)位。1983，他獲得莫斯科國立大學(xué)酶動(dòng)力學(xué)博士學(xué)位?；仡櫜┦康膶W(xué)習，斯克斯尼斯認為，莫斯科國立大學(xué)當時(shí)可能是前蘇聯(lián)做博士研究的最佳場(chǎng)所，當時(shí)很多化學(xué)家轉為生化學(xué)家，他們對化學(xué)反應的生物化學(xué)動(dòng)力學(xué)和機制非常了解。

 

之后，他回到維爾紐斯大學(xué)應用酶學(xué)研究所做初級研究員（博士后）。1990年，立陶宛獨立，也放開(kāi)了更多的科學(xué)合作。抓住這次機會(huì )，斯克斯尼斯與布里斯托大學(xué)的Steven Halford等限制酶生化研究領(lǐng)域的專(zhuān)家合作。

 

1993年，斯克斯尼斯前往位于德國馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所的Robert Huber（諾貝爾化學(xué)獎得主）實(shí)驗室做訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。

 

1995年，他開(kāi)始擔任維爾紐斯大學(xué)生物技術(shù)研究所蛋白質(zhì)-DNA相互作用部主任、主席科學(xué)家。過(guò)去是二十多年的時(shí)間里，斯克斯尼斯主要研究核酸代謝酶（限制性?xún)惹忻福?/span>的結構-功能關(guān)系。 2007年起，他開(kāi)始研究CRISPR-Cas的機制，成為最先闡明Cas9蛋白可編程的DNA切割功能的科學(xué)家之一。

 

2016年，斯克斯尼斯與埃馬紐埃爾·夏彭蒂耶、詹妮弗·A·杜德納、Rodolphe Barrangou和Philippe Horvath共同獲得沃倫·阿爾珀特獎（Warren Alpert Foundation Prize）。

 

2016年，他成為歐洲分子生物學(xué)組織（EMBO）成員。

 

 2018年，斯克斯尼斯與埃馬紐埃爾·夏彭蒂耶、詹妮弗·A·杜德納共同獲得卡弗里納米科學(xué)獎（Kavli Prize in Nanoscience）。