聚焦“基因剪刀”奠基人的科研历程

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聚焦“基因剪刀”奠基人的科研历程
; O5 A( J0 E/ M9 w4 ~# r. q) K来源：中国科学报 / 作者： / 2016-05-194 [' B5 Y( M5 ^$ u: S
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Emmanuelle Charpentier 图片来源：Peter Steffen/DPA/PA
; F8 \* Y; r2 b! e: Y我并未改变，我也不会变。我成为了能让自己站在这里的科学家。
! S; i% e2 e, x" j: G. |- o6 ?除了电脑，Emmanuelle Charpentier的办公室一无所有。但穿过走廊，她的实验室里人来人往。6个月前，Charpentier搬到德国柏林。她用几周时间就重新开始研究工作，但别的事情她决定暂缓行动。“我们都决定尽可能快地开展研究。”她说。
1 _  F0 F4 B% u$ i0 O7 pCharpentier的工作间也是其科学生涯的折射——她似乎总是搬家，以便保证科研能继续进行。现年48岁的她在过去20年间曾供职于5个不同国家的9个研究所。“我总是需要自己‘白手起家’。”她说。但Charpentier在法国巴黎巴斯德研究所的博士生导师Patrice Courvalin说：“她的资源非常丰富，她甚至能在荒岛上建一个实验室。”: d- i  {; G) q& ^0 `
流动的生活方式似乎没有阻碍这位微生物学家的研究。Charpentier因基因编辑技术CRISPR-Cas9而闻名于世。该技术变革了生物医学研究人员操作和理解基因的能力。* Q9 M0 e  b( M0 c% h) Y, X( Q
到今年，她已经获得10项久负盛名的科学奖项，并正式出任德国马普学会感染生物学研究所所长。2013年，她与同事联合创立了基因疗法公司“CRISPR治疗”。在获得巨大成功的同时，Charpentier也深陷关于CRISPR-Cas9技术的专利之战中。" @, X7 Z; G1 [
但聚光灯下的生活并不适合Charpentier。“法国哲学家Jean-Paul Sartre曾说，获奖会让你转变成机构。我只是试着继续工作，并保持脚踏实地。”她似乎做到了。近日，Charpentier在《自然》杂志发表了一篇论文，揭示了一个被证明比CRISPR-Cas9更有效的CRISPR系统的机制。: i+ P$ H. |: M. L+ s
Charpentier在同事眼中是一个热情、谦逊和有紧迫感的人。“她是一个身材娇小的人，但意志力坚强。”CRISPR 治疗首席执行官Rodger Novak说。
. U' Q- C0 x8 w2 x" ~5 K6 D+ o推动医学发展9 B8 }2 m+ d9 ?, ]4 p
在巴黎附近的一个小镇长大的Charpentier有一个明确的目标：推动医学发展。父母支持她的理想，但没有给她任何指导。Charpentier也曾学习钢琴和芭蕾舞剧，但她更倾向学习医学，并最终走上生命科学研究道路。# s' o9 _+ T7 r1 D' _. E% G
从巴黎第六大学本科毕业后，她决定在附近的巴斯德研究所攻读博士学位。她的博士项目包括分析细菌DNA片段。这些片段游弋在基因和细胞间，使耐药性得以传播。
0 @1 ?6 c; [# U$ p5 t# W' VCharpentier回忆道，自己的部门在这所历史悠久的研究所里是“年轻和有趣的”部分。她喜欢在圣热纳维耶芙图书馆学习，“我认为已经找到了自己的天地。”她说。( d+ _6 A; q& j7 `; B2 n! ^
Charpentier希望能在巴斯德研究所建立一个实验室，于是，她选择到国外进行博士后研究，以积累经验。“我是一个典型的上世纪90年代法国学生。我计划在短暂留学后，一直在祖国工作。”
, {4 j/ B9 ]2 r$ K# F& _8 L& g后来，她选择到美国洛克菲勒大学微生物学家Elaine Tuomanen的实验室工作，致力于研究肺炎双球菌。这种微生物是肺炎、脑膜炎和败血症的主要致病菌，与运动遗传因子有特殊的单向转动关系。
) D# T9 |/ ^4 T% G0 g$ o! o) B( sCharpentier进行了一系列艰苦实验，以找出病原体如何监控和阻止相关元素，以及如何抵抗万古霉素。一开始，她对要前往遥远的纽约感到恐惧，但到达洛克菲勒大学后，她发现自己没那么恋家。9 s* P: U+ q4 e, r. G0 s' Y
之后，她又来到田纳西州孟菲斯市，并进入纽约大学皮肤细胞生物学家Pamela Cowin的实验室。在那里，Charpentier开始接触哺乳动物基因。Cowin记得Charpentier是她第一个不需要时刻照看的博士后。“她能按计划工作。她努力、严谨和细致。”她说。
; p) n5 M4 \+ J( G. X很快，Charpentier就发现，制作转基因小鼠比操纵细菌更难。她花费两年时间，撰写了一篇控制毛发生长的论文。从此，她渴望开发出一款更好的遗传编辑工具。
8 p6 T  _) E! a& R; J在纽约完成了另一个博士后项目后，Charpentier意识到自己需要更独立并回到了欧洲。而在美国的经历让她更认同自己是欧洲人，而非仅是法国人，于是她选择了奥地利维也纳。2002年，她来到这里的一所大学，并依靠不算稳定的短期经费运行了一个小实验室。; W2 x0 [5 a; |4 z& z1 G9 B. p: i
“我必须自力更生。”她说。然而，“我想要理解细菌的每个生化过程是如何被规定的”。最终，她揭示了小RNA分子在基因调节方面的重要性，并开始了针对各类细菌的不同项目。Charpentier保证了持续获得经费。
8 I/ M8 q3 P$ L5 ]3 r反其道而行之5 t) M7 x% H$ v7 n/ f" ]9 h2 a! F
Charpentier也是在维也纳开始关注CRISPR的。在21世纪初，这是一个颇有前途的领域：只有少量微生物学家关注这个新发现的名为CRISPR的DNA长链。通过复制入侵基因的DNA，并将其插入细菌的延伸部位，在该病毒再次入侵时，细菌能识别出这种病毒，并攻击病毒切下其DNA。不同的CRISPR系统有不同的组织进攻方式；当时所有已知的系统都包含CRISPR RNA。2 Z9 R/ [, N1 P9 ?$ ]5 n
Charpentier希望能识别出化脓性链球菌基因囊产生调控RNA的位点。于是，她与马普学会感染生物学研究所分子微生物学家J?觟rg Vogel展开合作。Vogel开发出大比例描绘基因RNA的技术。他赞同描绘化脓性链球菌，并到2008年测序了这种细菌产生的所有微小RNA。8 p2 v: Z, I9 H" E
研究人员首先注意到，这种名为“反式激活CRISPR RNA（tracrRNA）”的微小RNA的丰富性。从其在基因中的序列和位置，研究人员发现它很有可能涉及一种之前并未被描述的CRISPR系统。, _$ E! C9 c0 O+ X1 q$ c
Charpentier和同事开始大量研究该系统，并发现它只有三大构成部分：tracrRNA、CRISPR RNA和Cas9蛋白质。这令人惊讶：“其他CRISPR系统只包含一个RNA和许多蛋白质，没人想到会有两个RNA。”Charpentier说。. w$ D! P, t1 U; e/ G- R/ Z
该系统还异常简单，Charpentier意识到有一天它可能成为有力的基因编辑工具。如果这些成分能被控制，CRISPR可通过剪下坏DNA并用正确的序列替换它，直接修复有缺陷基因。
3 l) ~: O' q5 }* Y但该CRISPR系统是如何工作的？Charpentier怀疑这两个RNA可能相互作用，直到Cas9蛋白质进入到病毒中的特定DNA序列。这一理论是激进的，该类型的研究一般主要研究蛋白质而非RNA。但Charpentier“总是寻找意想不到的东西”，Tuomanen提到，“她是一个反文化人”。2 f5 ]9 J& O% G! _! `( B/ T
行走在路上
& O0 I6 ?. u0 c  A- M& e2 k/ J+ iCharpentier回忆道，说服她的年轻学生跟着她的直觉走，并完成检测RNA是否相互作用的主要实验非常困难。最终，维亚纳大学硕士研究生Elitza Deltcheva自告奋勇接受了这项工作。
( G% ^  B& g7 ~! l# }! R* |' d$ r3 w到2009年6月，Charpentier再次搬家。她认为自己需要寻找更多支持。“我需要能集中精力到大的好项目中。”她说。于是，她来到经费相对充足的瑞典Ume?覽微生物研究中心。这里的极夜让她忘了时间，更专心研究。
9 K2 |2 f) C. R2009年夏天，她仍往返于奥地利和瑞典。这时，Deltcheva告诉她，实验有了结果。“我非常非常开心。”Charpentier说。Vogel则认为这是“一个紧张时刻，我站在路边，讨论什么时间发表论文最合适”。
1 u" d0 e& f( u+ @$ i3 s6 H之后在2011年的美国微生物学会会议上，Charpentier遇到了加州大学伯克利分校的结构生物学家Jennifer Doudna，Charpentier立刻就被她迷住了，“从第一眼看到她，我就喜欢上了她的干练。”8 y6 m" H: v/ P2 ~
两位女科学家开始了合作，进入了CRISPR系统研发的第二个关键阶段——Cas9如何剪切DNA，随着其背后的秘密被解开，研究人员发现这一系统确实可以用于靶向基因组，修改序列，这一技术也开始像旋风一样，席卷了世界各地的各大实验室。* ?) J, d7 |; J' g6 r0 Q$ _# O* D9 `
之后，Charpentier作出两项重要的决定。首先就是她最初的梦想——为推动医学做点什么。她联系了巴黎一家医药公司赛诺菲，尝试共同组建公司，探索人类疾病的基因治疗方法。就此CRISPR治疗成立了。# M: P9 A7 Y& P- G% f8 i
第二个决定是她搬到德国，成为汉诺威医学院的一位教授，并最终进入了马普学会，专心致力于基因调控的基础研究。
- G0 T. ^4 k- y, w% T& b回顾过去，Charpentier感叹她的生活也许本来不需要如此艰难，现在有许多资助帮助年轻的研究人员创立自己的独立实验室，虽然她已经部分实现了最初的梦想，但她的脚步并未就此停止，“我并未改变，我也不会变。我成为了能让自己站在这里的科学家，这也是我希望成为的科学家。”她说。
% J, E3 m7 c! ~) ^& _但还是有一些东西已经发生改变了，Charpentier不再是局外人：她已经成为CRISPR“小圈子”快速扩展后的权威人士，无数的团体邀请她去演讲，而她不断想做的事情就是继续报告一些完全不同却很重要的发现，她说，“对此我已经作好了准备”。
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