特稿|追问诺奖:张锋因何错失化学奖?

科学
特稿|追问诺奖:张锋因何错失化学奖?
麻省理工科技评论 2020-10-08

2020-10-08

明星科学家张锋为何与诺奖擦肩而过?他究竟有没有资格获奖?
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明星科学家张锋为何与诺奖擦肩而过?他究竟有没有资格获奖?

10 月 7 日,2020 年诺贝尔化学奖颁给了德国马克斯 - 普朗克病原体科学研究所主任埃曼纽尔 · 卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和美国加州大学伯克利分校教授、霍华德 · 休斯医学研究所研究员詹妮弗 · 杜德纳(Jennifer Doudna),获奖理由是开发了基因编辑技术 CRISPR/Cas9。CRISPR/Cas9 又称基因魔剪。

其中 CRISPR 的含义是“规律间隔成簇短回文重复序列”,Cas9 酶则是能够切割 DNA 链的“剪刀”。该酶可以在特定位点对 DNA 进行切割,从而进行 DNA 插入和编辑。

诺奖组委会将 CRISPR/Cas9 称作基因技术中最锐利的工具之一,它可以精确改变动植物和微生物的 DNA。相对于此前的基因技术,CRISPR/Cas9 更便捷、更便宜。

基因编辑光环背后悬疑一地:

明星科学家张锋为何与诺奖擦肩而过?他究竟有没有资格获奖?

基因编辑距离我们的生活还有多远?

中美争端背景下,拥有核心专利的美国会不会让基因编辑技术成为制约中国发展的另一种“芯片?

背后英雄,不止张锋

按照宾夕法尼亚州立大学教授、从事植物基因工程研究的杨亦农的说法,卡彭蒂耶和杜德纳的工作并非从零到一,而是有众多他人的铺垫工作,二人更多是完成了临门一脚,并且完成得比较漂亮。

特稿|追问诺奖:张锋因何错失化学奖?

图 | 德国马克斯-普朗克病原体科学研究所主任埃曼纽尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier,右)和美国加州大学伯克利分校教授、霍华德·休斯医学研究所研究员詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna,左)2016年在一起。(来源:Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA)

CRISPR 的发现起源于西班牙阿利坎特大学的微生物学家弗朗西斯科 · 莫伊卡(Francisco Mojica)。1993 年,莫伊卡在古细菌中发现了独特的重复 DNA 序列,随后他们又发现类似序列在原核生物中广泛存在;并且能够感染细菌的噬菌体中含有 CRISPR 的间隔序列。

科学家由此推测,CRISPR 可作为细菌的免疫系统来防御病毒入侵。随后多个研究团队认识到,CRISPR 可以编程并切割其它 DNA 片段。2012 年,卡彭蒂耶和杜德纳在《科学》杂志(Science)发表论文指出,细菌用以对抗病毒的 CRISPR/Cas9 系统可以作为简单、灵活的基因组编辑工具。

其实,立陶宛维尔纽斯大学维吉尼亚斯 · 斯克斯尼斯(Virginijus Siksnys)也独立开发了 CRISPR 基因编辑技术,展示了如何指示 Cas9 酶切割 DNA 序列。遗憾的是,其研究在 2012 年 4 月被《细胞》(Cell)拒稿,最终发表在《美国国家科学学院院刊》(PNAS),比卡彭蒂耶和杜德纳在《科学》论文晚发表了两个多月。

2013 年,张锋团队在《科学》杂志发表论文表示,用新的 CRISPR–Cas9 系统可以精确编辑人类和小鼠细胞的基因组。

2017 年 8 月,美国医学科学最高奖阿尔伯尼生物医学奖颁给了基因编辑技术。卡彭蒂耶、杜德纳、莫伊卡、张锋以及洛克菲勒大学细菌学实验室副教授卢西亚诺 · 马拉夫尼(Luciano Marraffini)博士获奖。马拉夫尼是阿根廷人,他证明了 CRISPR 作用于 DNA 靶标。

有意思的是,这些学者既是队友又是对手。2013 年,杜德纳与张锋、丘奇共同创立了医药公司 Editas Medicine 以开发基于 CRISPR 的药物。杜德纳与丘奇还参与了另一家医疗公司 Intellia。

同时,杜德纳与张锋分别所属的机构在激烈争夺真核细胞中 CRISPR 技术的专利优先权。

如今,杨亦农的一个德国博士在杜德纳实验室做博士后。杨亦农说,其实这几个人私下关系还不错,“至少在开会的时候看起来还好”。

张锋的遗憾

诺奖漏掉的英雄人物众多,但张锋是其中备受关注的那个。《自然》杂志(Nature)的报道也称,张锋错失诺奖是最大的意外之一。

至于张锋为何错失诺奖,业内有多个解读。

哈佛大学遗传学教授乔治 · 丘奇(George Church)也在同一时期做了对人类细胞 DNA 进行编辑的工作。《自然》杂志引述他的看法称,诺奖委员会的选择是没问题的,这些英雄人物并没有因为错失诺奖而被轻视。不过,他认为诺奖更加青睐发现而非发明,而他和张锋的工作更接近发明。

这个说法曾被多次验证过。尽管张锋也多次获得了基因编辑技术有关的奖项,但 2015 年的《科学》杂志生命科学突破奖、2016 年的阿尔珀特奖、2020 年 1 月的沃尔夫科学艺术奖均颁给了卡彭蒂耶和杜德纳,而未颁给张锋。

另一个因素可能是化学奖更看重体外试验。杨亦农从事基因工程研究,他告诉 DeepTech,卡彭蒂耶和杜德纳的研究涉及核酸酶分解 DNA,更多是生物化学范畴,是体外试验,这与生理学或医学相距甚远,而张锋的研究则是哺乳动物的细胞内研究。

不过这也有意外。1962 年诺贝尔生理学或医学奖就颁给了 DNA 分子双螺旋结构的发现。所以杨亦农的看法是,尽管上述看法都有一定依据,但张锋仍然是有资格获奖的,毕竟 CRISPR 技术在哺乳动物体内的应用是巨大的一步。

中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞是基因编辑技术研究的代表人物之一,她的看法是,卡彭蒂耶和杜德纳获奖是毫无异议的,诺奖最多只能给 3 个人,莫伊卡、马拉夫尼和张锋都可以是备选,甚至与张锋工作接近的丘奇也争议不大,那么诺奖组委会可能就宁愿选择最无争议的卡彭蒂耶和杜德纳组合。

今年 66 岁的丘奇给了 “80 后” 的张锋很高评价:他还很年轻且创意无限,至于诺奖,未来可期。

基因编辑产品越来越近

美国做植物基因编辑的重镇是明尼苏达大学和杨亦农所在的宾夕法尼亚州立大学。

杨亦农利用 CRISPR/Cas9 技术开发出了抗褐变的双孢蘑菇,这个研究过程只用了 2 个月,并且花费很少,不算人力成本的话费用不到 1 万美元。宾夕法尼亚州立大学技术管理办公室已协助杨申请了专利,并成功地将专利授权给了一家大型农业生物技术公司。《大众科学》杂志(Popular Science magazine)将基因编辑的蘑菇评为 2016 年“最佳新事物”。

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图 | 杨亦农的基因编辑抗褐变蘑菇。(来源:杨亦农实验室)

2016 年,美国农业部宣布杨亦农的抗褐变蘑菇不用接受监管,这是该机构首次为 CRISPR 编辑生物体开绿灯,因其不包含来自病毒或细菌的外来 DNA。

2019 年年初,总部位于明尼苏达州的 Calyxt 公司宣布,其基因编辑大豆油在 3 月 1 日上市销售,其大豆油含有高达 80% 的油酸,20% 的饱和脂肪酸,且不含反式脂肪酸。该公司的首席科学家是美国明尼苏达大学植物生物学家丹尼尔 · 沃伊塔斯(Dan Voytas),他还利用基因编辑技术开发出耐冷藏、同时可减少烹饪时产生致癌物质的土豆。

动物基因编辑产品也已经诞生。美国 Recombinetics 公司于 2013 年使用了质粒进行基因编辑操作,将携带基因编辑工具 TALENs 和涉及无角的基因变异的质粒植入细胞,编辑后的细胞用于克隆,之后就产生了两头无角牛。通过检测,这些基因编辑牛都无角,且不存在其他症状。

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图 | 基因编辑而来的无角牛。牛角本来是用来御敌的,但在如今的农场里,牛角就失去了历史上的作用。相反,牛角常常会对其他牛或养殖工人造成伤害,于是农场主都会给幼牛进行去角处理,大都是直接削去幼牛头上的嫩角,然后灼烧止血。可以想象,幼牛的痛苦是非人道的,另外这种处理的成本也很高。所以,如果能培育一种无角牛,对农场主和普通民众都是众望所归。(来源:麻省理工科技评论)

杨亦农认为,中国的植物基因编辑发展比美国还要快,一些技术上的改进也做得不错,中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱健康团队和高彩霞团队就是其中代表。

高彩霞利用最新的基因组编辑技术,首次在六倍体小麦中对 MLO 基因的 3 个拷贝同时制造突变,使小麦对白粉病具有了广谱抗性。白粉病是一种严重影响小麦产量和品质的小麦真菌病。这项成果入选《麻省理工科技评论》(MIT Technology Review)2016 年十大技术突破。

朱健康团队实现了 CRISPR/Cas9 系统在植物基因组中的高效定点编辑。就在今年 7 月,朱健康研究组在水稻基因打靶技术上取得重大突破,他们在水稻上建立了一种高效的片段靶向敲入和替换技术,高至 50% 的靶向敲入效率将极大地方便植物的研究和育种。相关研究成果在线发表于国际顶级生物技术期刊《自然 - 生物技术》(Nature Biotechnology)。

中国尚未出台明确的基因编辑产品监管政策,而美国的基因编辑监管政策相对明确且宽松。2018 年 3 月,美国农业部表示不会对使用一些新技术育种的农作物进行监管,其中包括基因编辑技术。在美国,只有由细菌等植物病原体或其 DNA 构建的转基因作物是被管制的,而基因编辑作物不会受到监管。

不过,杨亦农的基因编辑蘑菇的产业化并不是很顺利。一个大的背景是,美国许多农产品要出口到欧洲,而欧洲对于基因编辑技术是按照转基因技术来严格监管的,所以这就阻碍了美国基因编辑植物产品的开发。即便在美国当地,蘑菇公司也更愿意种植所谓的有机蘑菇,可以卖更高的价格。

即使是杨亦农做的水稻研究也不是很顺利。因为他是在商业化水稻品种上进行的基因编辑工作,一些人担心基因漂移而拒绝其进行田间试验。

基因编辑动物的明星无角牛同样遇到了麻烦。2019 年,美国 FDA 的科学家研究了 Recombinetics 公司的一头无角牛发现,这头牛体内存在一段细菌 DNA,是具有抗生素抗性的基因片段。根据转基因生物产品的定义,只要产品中出现质粒 DNA,就意味着这种产品应该被视作转基因产品。

不过,业内的看法是,这种无角牛即使有质粒 DNA 污染,也不必担心食品安全问题。

如今医学家正在推进基因编辑技术在遗传病中的应用,例如镰状细胞病和遗传性失明。必须指出的是,CRISPR 技术可改变人类遗传,那么涉及胚胎的编辑也就成为最具争议的议题之一。贺建奎的基因编辑婴儿试验在业界沦为千夫所指。

基因编辑会被卡脖子吗?

加州大学和博德研究所相关专利争夺战持续了 6 年,最终花落博德研究所。那么基因编辑技术的专利壁垒会不会遏止中国生物技术的发展?鉴于手机芯片目前的遭遇,这个担忧似乎不无道理。

然而业内并不是太担心。从事科技法研究的北京大学教授刘银良对 DeepTech 表示,生物技术尤其是 CRISPR/Cas9 技术更容易为人掌握,一般的实验室都能掌握,而中国的科学家已经在基因编辑技术上做了很多发展,并获得了许多新的专利。这些专利在技术上都是公开的,复制就不是难题,而手机芯片在技术上难以复制。

高彩霞也没有这个担忧。她说,一项相关研究工作远远不是一个专利能搞定的,需要一个专利池,“专利套着专利”,即使张锋做研究也无法脱离其他人的专利,所以“美国人有必要这样做吗”?

杨亦农的看法也接近。他认为,中国的生物技术研究实力,尤其是在基因编辑领域,并不比美国弱,在植物学领域发表的论文甚至要比美国多不少。

中国可以对一些美国专利不授权甚至是强制授权,那么国内相关产品的开发就不受限于这些专利。

刘银良唯一的担心是,美国方面能施压的手段,可能是拒绝进口中国的基因编辑产品。

为什么张锋没有获得 2020 年诺贝尔化学奖?他对 CRISPR 基因编辑技术贡献有多大?

在本文刊发之际,斯坦福大学医学院助理教授丛乐也在知乎上发文,分析为什么张锋没有获得 2020 年诺贝尔化学奖?以及他对 CRISPR 基因编辑技术的贡献。

丛乐本科在清华生物系/电子系师从饶子和院士学习,后到哈佛大学医学院读博士,是博德研究所张锋实验室的第一个学生,毕业后在麻省理工学院Aviv Regev教授指导下完成博士后。2013年,他所在的团队发表了人类细胞CPISPR基因编辑的突破性论文,丛乐为一作。

因与张锋的渊源,丛乐在文前特意做了利益相关声明:博士期间从2011年开始在张锋实验室做CRISPR研究,我们的工作首次实现了人类细胞中的CRISPR基因编辑(论文最终发表于2013年),也是一部分相关基因编辑专利申请中的共同发明人(CRISPR一系列专利存在争议,法律范畴无法评论)。希望分享一些自己的科研经历,不代表官方言论。

现DeepTech获得丛乐授权,转发此文。

特稿|追问诺奖:张锋因何错失化学奖?

图|丛乐(来源:DeepTech)

首先祝贺CRISPR基因编辑技术和两位获奖科学家的工作获得了诺贝尔奖的认可。

1. CRISPR基因编辑的起点:和很多改变我们生活的重大发现一样,开始时经常是少数人,在孤独寂寞中的坚持与努力。其他知乎大号/知乎大神答案中所陈述的,日本,西班牙,匈牙利,奥地利,美国等早期研究组从1993年到2011年的一系列研究发现帮助我们理解了CRISPR是什么,在细菌中如何工作等(CRISPR科研发展的时间线可以参考这篇Cell的综述论文)。很多早期文章并不是在顶级杂志,我刚接触这个领域时,经常找文献的原文都很困难,但这些都是极重要的起点研究。

(类似科学发现中的坚持,如果有兴趣可以参考:诱导干细胞iPSC,我至今还记得本科上课时清华的吴畏老师告诉我们,想法不一定没人想到,但大部分人都没有耐心恒心去这么努力坚持做,也记得看到中国科学家各种干细胞顶尖成果时的激动)。

2. 我在MIT,Harvard参与的ZFN/TALE等早于CRISPR的前一代基因编辑技术:我2009年先在George Church实验室和张锋、Sriram Kosuri、Paula Arlotta几位科学家共同工作时第一次接触到基因编辑技术。最开始,我们主要研究ZFN/TALE基因编辑技术,这是早于CRSPR的前一代基因编辑技术。2011年,我们首次在哺乳动物/人类细胞实现了TALE基因调控编辑(论文2011年发表在Nature Biotechnology),而同期Miller等人的论文也开发了类似的TALEN技术。基因编辑领域的很多工作都是多个研究组独立进行。

3. 从2011到2014年在张锋实验室进行CRISPR基因编辑技术开发的过程

张锋2011年初设想可以用CRISPR来代替TALE进行基因编辑。我们经过非常长期的努力和试错,加上团队一起合作的努力,实现了这一预想。

尽管CRISPR概念潜力巨大,在2012年之前,科学家仅在原核细胞或体外试管实验中成功检测到了CRISPR的编辑活性(包含本次诺奖得主们2012年的重要论文)。然而,我们最感兴趣的是哺乳动物和人类细胞的基因编辑。人类细胞的结构和环境复杂度远远高于细菌细胞,所以在生物学历史上,大量技术虽然适用于细菌或体外,但未能在人类细胞中实现。本届诺奖获得者Jennifer Doudna在采访和其他场合提到其2012发表的获奖论文时,表达了“techniques for making these modifications in animals and humans have been a huge bottleneck”,她们团队当时在这个方向的尝试遇到了 “many frustrations”(原文链接1,链接2)。

在张锋实验室,我们从2011年开始开发能在人体细胞进行基因编辑的CRISPR系统,积累早期的经验,在2012期间我们终于提交了论文,最终2013年在Science发表。这篇论文与同期发表的George Church实验室工作首次实现了CRISPR在哺乳动物细胞的编辑(这样独立但同时发表的研究也再次验证了前面第2点中提到的科学正是在大家的共同努力下进步的,其实稍后发表的Keith Joung,Jin-soo Kim等的工作也同样独立完成而具有开创性)。

由于真核细胞中CRISPR基因编辑的复杂性和不可控性,我们这篇2013发表的工作收获了大量的关注和广泛祝贺。我们基于这一工作开发的基因编辑工具盒被大量实验室和公司广泛用于研究和基因治疗中(如其他回答中提到的PX330等)。我们2013年的突破性论文目前是CRISPR基因编辑领域引用最高的文章。

特稿|追问诺奖:张锋因何错失化学奖?

这是为什么张锋也被学界中很多同仁期待为最可能的诺奖得主之一。

感想:两位得奖人Emmanuelle/Jennifer实至名归。同时,非常遗憾张锋未能分享诺奖。和很多领域中的成果一样,有时会有不同研究组,科学家在不同地点,相近的时间,独立的发现/开发类似或者相关的结果。在诺奖历史上,因为人数限制等原因,有大量的杰出科学家与诺奖失之交臂,其中有不止一位华人科学家。其他CRISPR领域的早期先驱,比如欧洲的Francisco Mojica, Virginijus Šikšnys, John Van Der Oost, 以及为基因编辑技术作出了杰出贡献的科学家,Rodolphe Barrangou, Philippe Horvath, George Church,Paula Canon, 张锋,David Liu,Keith Joung,Matthew Porteus, Charles Gersbac等等亦做出了开创性工作。

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