教材背后 ：他是生物教材中最年轻的科学家！

 

来源公众号：一个生物老师的日常　作者：兰妮酱

在人教版高中生物教材选择性必修三第69页上，基因工程诞生和发展的科学史群星闪耀。其中，有一位1982年出生的华人科学家登上了生物教材。

这位最年轻的科学家就是美籍华裔分子生物学家张锋。张锋出生于河北省石家庄，11岁时随父母移民美国，他能够讲流利的中文，但他吐槽自己的中文只有小学五年级水平。他在高中的课外项目中，尝试用病毒将水母中的绿色荧光蛋白基因转移到人的黑色素瘤细胞中。当他观察到细胞在黑暗中发出绿色荧光时，他对生物学研究的兴趣被点燃了。

1 从读代码到改代码

在人类基因组计划之后，科学家从读代码转向改代码。

改代码的第一种方法是增添新基因。比如，必修二中提到的基因治疗ADA，其方法是使用逆转录病毒转染法将正常ADA基因转入患者T细胞中。

改代码的第二种方法是沉默某基因。比如，通过RNAi抑制VEGF基因的表达治疗年龄相关性黄斑变性（AMD）。

如果用twinkle twinkle big star中拼写错误的修正进行类比，那么，第一种方法是增加litte，改为twinkle twinkle big litte star，第二种方法则是删除big，改为twinkle twinkle star。更理想的方法是删除big，改为litte。

2 从一代目到二代目

当我们在WORD软件中实现单词替换，一是需要光标定位，二是需要回车和键入。同理，基因编辑应该同时实现这两项功能，一是识别并结合DNA特定区域，二是切断并修复DNA。

基因编辑的一代目为锌指核酸酶（ZFNs）技术。ZFN由一个DNA结合域和一个非特异性核酸内切酶组成。其中，一个锌指蛋白能够识别三个碱基对的组合。如果将不同种类的锌指蛋白进行组合，就能锚定特定的目标DNA序列。其缺点是，构建成本高，且蛋白质之间相互作用会对蛋白质结构造成影响。

基因编辑的二代目为转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs技术）。TALENs由特异性DNA结合蛋白（TALE 蛋白）和FokⅠ核酸酶两部分组成。其中，一个TALE蛋白模块识别一个碱基对。TALENs与ZENs原理类似，虽然建构难度有所下降，但依然存在技术繁琐和成本高的问题。

3 从三代目到大魔王

基因编辑的三代目就是当下最热门的CRISPR。

CRISPR的英文全称为Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，直译过来为规律成簇间隔短回文重复序列。就像这个让人费解的名称一样，CRISP序列的重复出现一开始也让科学家摸不着头脑。

西班牙的科学家莫伊卡发现，CRISPR重复序列中间的间隔是噬菌体的DNA样本库。这个病毒数据库能够转录出向导RNA，并引导核酸酶去切割病毒RNA，发挥免疫的作用。

原本，这项技术只应用于提高酸奶的品质。直到美国科学家杜德娜（Jennifer Doudna，右）和德国科学家卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier，左）发现并改进了这项技术。其中，杜德娜甚至名字里都自带DNA，不愧是天选之人。下面的视频是杜德娜介绍CRISPR技术的起源。

她们将CRISPR从双RNA系统改进为单RNA系统，只需要sgRNA和Cas9两个组分就能实现基因编辑。用sgRNA作为向导去识别目标DNA序列，再用Cas9作为剪刀进行基因编辑。两位科学家因为CRISPR开创性的发现和应用获得2020年的诺贝尔化学奖。

她们在原核生物中大获成功，但在真核生物领域却遭遇瓶颈。华人科学家张锋的突破之处在于，他实现了CRISPR技术对真核细胞的基因编辑。CRISPR既能切除有害基因，也能提供模板序列再切口处增添一段新序列。下面的视频是张锋介绍CRISPR技术。

张锋用小鼠进行实验，通过模仿自然人群中心脏病风险低人群的基因特点，经CRISPR技术敲除PCSK9基因，从而降低胆固醇水平，实现心血管疾病的长期治疗。实验结果显示，小鼠肝脏细胞被编辑概率50%，血清中pcsk9和胆固醇含量均明显下降。

CRISPR的应用还不止于此。dCas蛋白是Cas改造后失去切割功能的版本。如果将dCas蛋白和转录因子通过融合基因结合在一起，就能利用dCas蛋白的导向作用将转录因子携带到指定为止，从而调控基因表达。dCas蛋白还能和绿色荧光蛋白结合在一起实现定位和跟踪。（此处为2025绵阳二诊考点）

Cas蛋白具有多样性，其中Cas13切割目标RNA的同时，也会切割其他RNA，可能与细菌免疫失败、启动细胞凋亡程序有关。

失去特异性切割功能，Cas13有什么用呢？

张锋利用Cas13开发了SHERLOCK技术，全称为 Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing。SHERLOCK技术可用于检测病毒、细菌、癌症的核酸。

他将荧光基团和淬灭基团用RNA连接。加入待测样品RNA，如果待测样品为DNA需要转录为RNA。当Cas13遇到目标RNA被激活，它不仅能切割目标RNA，还会同时切割其他RNA，从而将荧光基团和淬灭基团分开，并发出荧光。

他用该技术研发了检测寨卡病毒的试纸。

如果说杜德娜和卡彭蒂耶是发现了CRISPR技术的应用前景，那么张锋则是发明了CRISPR技术新的应用方法。张锋虽然没有获得诺贝尔奖，但他率先申请到了CRISPR技术的专利，并免费开源给全世界的科学家非商业化研究使用。

　

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