CRISPR/Cas9的未来是征服大脑疾病，34岁红人张锋是这样认为的
2016-12-17 动脉网 动脉网
张锋很少接受采访，但是重要的学术会议他却很少落下。这个出生在石家庄的科学家正在努力地成为CRISPR/Cas9这个本世纪最重大生物技术的规则制定者。石家庄只是他身上众多标签中的一个。从诺贝尔奖有力竞争得主，福布斯40岁以下最有成就的40人，《自然》杂志十大科学人物，到华裔新移民和80后。张锋这个并不出彩的名字，因为CRISPR/Cas9站到了时代和舆论的风口浪尖。我们为你梳理了这位技术大牛背后
张锋很少接受采访，但是重要的学术会议他却很少落下。这个出生在石家庄的科学家正在努力地成为CRISPR/Cas9这个本世纪最重大生物技术的规则制定者。
石家庄只是他身上众多标签中的一个。从诺贝尔奖有力竞争得主，福布斯40岁以下最有成就的40人，《自然》杂志十大科学人物，到华裔新移民和80后。张锋这个并不出彩的名字，因为CRISPR/Cas9站到了时代和舆论的风口浪尖。我们为你梳理了这位技术大牛背后的一些故事，他今年仅34岁。
一盘鸿运蒸凤爪哗啦啦地摆上餐桌，调皮的小女孩拿起筷子敲了起来。一位身着polo衫和牛仔裤的男士，正领着一家老小在波士顿唐人街喧闹的餐厅里享受着美味的点心。一切都是那么的稀松平常。
没人能想到，34岁的张锋正是那位80后科学家中变革能力最强，对其他诺贝尔奖候选人造成双重威胁的生物学家。没人能想到，他的发现可能会帮助医生治愈自闭症、精神分裂症、癌症和失明等最让人痛苦的疾病。没人能想到，他开发的遗传学工具能够引领我们进入设计婴儿的反乌托邦时代，在全世界引起了轩然大波。
那时候，张锋还只是一位年轻的父亲、丈夫和儿子，他有时凌晨一两点甚至三点才从实验室离开。他向家人苦苦解释着是什么让他废寝忘食，早出晚归。
他邀请了一位记者共进午餐，并告诉他自己非常重视目前的工作。他不仅喜欢自己的工作，还想帮助那些曾经赞助过自己的导师，把他们的研究继续下去......“我还记得那些秋叶，”张锋的母亲周书峻喃喃道。
11岁时，张锋便随母亲离开了中国，在爱荷华州得梅因定居下来。几年后，作为高中生的张锋总会在基因疗法实验室工作到很晚，她不得不在车里等好几个小时。在一个月色朦胧的秋夜，母子俩在开车回家的路上被树叶飘落的景象所深深吸引，几个月前还生机勃勃的绿叶如今随风飘散，化为尘埃。他们不禁感叹人生苦短，岁月无情。“从那时起，我就下定决心要干出一番事业。”张锋说道。
和其他科学家一样，那时的他已经迈出了人生的第一步。
自今年夏天以来，STAT对张锋进行了跟踪采访，陪他参加了会谈，采访了他的导师和实验室学员，并与他进行了数小时的深入对话。采访者看到了一位性格温和却目光远大的科学家，一位立志在异国他乡创造历史的奋斗者和一位雷厉风行的研究员。
在同事眼里，他能敏锐地识别出具有发展前景的事物，激发实验室年轻成员的创造性，并经受住成功率较高的渐进式突破，转而进行风险较大的研究。每当实验室成员提出一个项目，张锋就会问道：“这是一项仅靠些小聪明就可以完成的普通研究，还是真正的创新？”
张锋参与了两项革命性遗传和神经科学技术的研究工作。作为一名研究生和团队的核心成员，他与同事们研究出了点亮大脑中神经元的方法，从而帮助科学家了解哪些神经回路控制哪些行为，并寻找到精神分裂症和双相障碍等精神疾病的根源。短短几年后，张锋的发现让他成为了世界顶尖的生物学家：他找到了快速、轻松、有效地编辑植物和动物（包括人类）基因组的方法。
他们已经使用该工具在实验室中培养出了免疫艾滋病病毒的人体细胞；治愈了小鼠的肌肉萎缩症、白内障、和遗传性肝病；改进了大米、西红柿、橘子、烟草和小麦等农作物。它还可以被用来修改人类卵子、精子、和胚胎基因，让父母像选择雷克萨斯的配置一样选择自己宝宝的特点，比如个性、运动能力和外表。
这项叫做CRISPR/Cas9的技术很快催生了三家已获得数亿美元风投的公司，开创了分子生物学的新时代。
1993年诺贝尔医学奖的其中一位得主，麻省理工学院生物学家Phillip Sharp表示，它正“改变着我们的科研方式”。
基因编辑工具是如此强大（鉴于它对环境和人类造成的巨大影响），以至于来自世界各地的科学组织需要在下个月召开一场全球性论坛，来制定这一工艺的使用准则。
在位于马萨诸塞州剑桥的Broad研究院里，张锋是最年轻的实验室负责人。这个实力雄厚的基因组学研究中心隶属于麻省理工学院和哈佛大学，在那里他是仅有的8位 “骨干教师”之一。许多博士后同事和研究生学员都比他大。他经常一脸严肃地闯进研究所负责人Eric Lander的办公室，向他展示 “酷炫”的新数据。
这场艰苦的专利争夺战将一个问题推到了风口浪尖：张锋究竟对CRISPR技术的发展做了多少贡献？如果Broad研究院胜诉，张锋会成为麻省理工学院又一位发财致富的科学家兼企业家。这是童年的小张锋想都不敢想的事情。来到美国后，身揣电脑工程师文凭的母亲只能靠做汽车旅馆管家这样的粗活来养活他。而身为科技大学管理员的父亲在几年之后才加入他们。
然后，人生中最平凡的体验改变了他的生活。张锋看了一部电影。
马萨诸塞州剑桥市Broad研究院张锋
改造细胞
在得梅因，中学生物课就是解剖散发着甲醛臭味的青蛙。于是星期六的分子生物学课外活动就成了张锋的天堂，那里的老师很聪明，用电影《侏罗纪公园》来吸引青少年参加他们的活动。
“我父母从事的都是计算机科学，所以我一直对编程很感兴趣，”张锋回忆道。在那部93年的电影里，高傲的研究人员通过融合恐龙和青蛙DNA复活了那些早已灭绝的爬行动物，“这让我意识到生物学也可能是一个可编程的系统。”
他的脑海里萌生了一个想法。他意识到可以通过改写有机体的遗传指令来改变其特性，就像他父母写的计算机代码一样。
1995年，也就是在西奥多罗斯福中学上高二的时候，他第一次获得了编写活物的机会。一位资优学生项目的负责人问张锋，是否愿意在放学后到附近的卫理公会医院基因治疗实验室做义务工。“我说当然愿意，”张锋回忆道，尽管他对高级生物学“一无所知”，但实验室负责人John Levy博士并不担心他在经验上的不足。
每天下午，Levy都会坐在休息室里喝茶，在一块垫子上随意涂写来解释分子生物学的概念。 张锋很快就掌握了几项关键技术，并成功地完成了他的热身项目：使用病毒将水母基因中名为绿色荧光蛋白的发光分子植入人类黑色素瘤细胞。
这项实验并不能复活恐龙，但他已经具备修改某一物种的细胞使其表达另一物种基因的能力，从细胞中发出的怪异绿光便是证明。“它们发光了！” 张锋回忆道，20年前的那番情景依然让他兴奋不已。
在这一年其余时间里，张锋研究了吸收紫外线的荧光蛋白能否保护DNA免受紫外线的损伤和致癌作用。他发现荧光蛋白确实有这样作用，同时这项实验也成为了爱荷华州科学展览会项目。“这吸引了更多像我一样的怪咖小孩。”张锋说道。
大三那年，他在Levy的指导下完成了另一个有关病毒的遗传学项目，并在2000年英特尔科技人才搜索竞赛中获得了全国第三名和50000万美元奖学金。
这“激起了我对艾滋病毒治疗的兴趣，”张锋说道。这对一个高中生来说似乎不太可能；但他还是停止了荧光蛋白的研究工作，没有继续探究阻挡紫外线是否有助于预防黑素瘤。 但他得到了一个非常宝贵的教训：有趣的科学发现往往会不了了之。
进入哈佛大学后，他获得了全额奖学金，并在化学和物理专业出身的化学家庄小伟的实验室进行了流感病毒研究。 2004年，张锋完成研究后，在顶级期刊上发表了一篇有关流感病毒细胞感染机制的论文。这一发现的关键是：张先生早先在爱荷华州就玩过的发光水母蛋白质。
张锋在实验室里的表现有点儿像茱莉亚·蔡尔德，他能得到奇妙的试验结果，但实验室里经常上演火鸡掉地上的戏码。在有机化学试验里，他忘记了酸不能参与热反应的禁忌。 “化学通风橱里的所有东西都发泡爆炸了，”他回忆道。他和同伴逃离了现场。
还有一次经历具有更为持久的影响。张锋曾花好几个小时来帮助一位得了严重抑郁症的同学打消自杀的念头。然而这位好朋友的抑郁症过于严重，不得不向哈佛申请休学一年。张锋深受触动，并投入到精神病疗法的开发当中。
Albert Einstein以一年之内发表五项令人费解的发现而闻名。张锋在不久之后也进入了一段辉煌时期。2004年6月，毕业后的张锋来到斯坦福大学研究生院，加入了一位年轻的神经科学教授Karl Deisseroth的实验室。在研究生Ed Boyden加入之后，三人发明了光遗传学，也就是将光敏蛋白植入神经元，用光线激活特定的神经回路。在这个过程中，张锋开发了一套使用病毒将外源基因转入神经元，并使基因产生光敏蛋白的系统。
2007年，Deisseroth邀请记者参观了张锋在小鼠运动皮层中培养光敏神经元的试验。 果然，在光线激活神经元后，小鼠开始转圈子。今天，光遗传学被认为是神经科学领域的重大成就之一，世界各地的研究人员也将其用于映射精神分裂症、抑郁症或自闭症中的神经电路。
获得博士学位后，张锋“开始思考如何像光遗传学那样轻易地将外缘基因插入动物体内”，但这种方式需要适用于所有动物和植物基因。2009年，他加入了哈佛大学学者协会，“异常独立且创造力强的学者”的著名栖身之所。Broad研究院神经科学家，前哈佛大学主管Steven Hyman说：“张锋具有这两项特质”。
然而这个职位并没有给他带来一间实验室。于是他恳求哈佛大学的老一辈科学家将实验室的一部分空间借给他使用。他开始研究当时最先进的基因编辑技术，即使用镶嵌有“锌指”结构的蛋白识别并切割特定的DNA序列。细胞会自动地修复这种切口，并融合被插入的外来DNA。Presto：被编辑过的基因组。麻烦的是，“锌指的操作难度非常大，”张锋说道。
科学家在2009年发布了另一种基因编辑技术TALEs。但TALEs和锌指一样是难以制造的蛋白质。“我当时也在教学生制作TALE，但他们需要等三个月才能真正用上它，”张锋回忆道。作为首席作者，他通过一篇论文，探讨了能够回到人类和小鼠细胞中的特定DNA序列并打开或关闭基因的TALE蛋白。但他并不满足于此。 “我们必须想出更好的方法来编辑基因，”他说道。
学者协会的任期即将结束，张锋不得不再找一份工作。有一天，一位麻省理工学院McGovern脑研究所的神经科学家听到Deisseroth对“一位天才科学家”赞扬有加，McGovern负责人Robert Desimone回忆道。在科研机构这样的协作企业中，一篇论文一般也就只有几位作者，“所以你总会好奇是谁做了什么，”Desimone说道。McGovern追问下去，最终了解到 “张锋在发展光遗传学中发挥了关键作用”。他又补充到：张锋所发表的文章是“神经科学史上任何处于职业生涯中这一阶段的人都无法媲美的。”麻省理工学院和Broad研究院同时雇用了他。
2011年2月，一位访问科学家在Broad咨询委员会会议上，公布了他对含有免疫系统的细菌基因组的研究，这项研究被称为CRISPR。 “当时我坐在房间后面，有些心不在焉，”张锋回忆道。但奇怪的首字母缩写立即引起了他的好奇心。
彩色圆圈表示CRISPR研究发表信息
“我不知道CRISPR是什么，但在谷歌上查阅后，我立马兴奋了起来。还好这只是一个新领域，相关文献还不太多。”几天后，他在迈阿密的一次科学会议期间，躲在酒店房间里钻研起CRISPR论文来。
他了解到，微生物学家在细菌中发现了被用于抵御病毒的CRISPR（成簇的规律间隔的短回文重复序列）系统。CRISPR系统由搜索和摧毁两个机制组成：遗传物质RNA会集中在特定的DNA序列上；一种名为Cas9的酶会切割DNA。由于CRISPR可以消灭 “让酸奶变味的” 病毒，“CRISPR主要被用于改善酸奶的口味。”张锋说道。
但张峰的目标更加远大。“我们想让‘CRISPR在人体细胞内的工作’，”他回忆道。他在发给研究生李聪的邮件里写到：“等着看好戏吧。”
这是一个大胆的目标。坚持使用更加成熟的TALEs技术来得更稳，但是李聪在回复中写道，“风险在所难免，我们决定放手一搏。”
张锋走进工作地点Broad研究院
疯狂工作
回到剑桥后，李聪“立刻明白了张锋兴奋的原因，”他说道。TALEs早就把他们逼疯了，在辛辛苦苦地合成大量蛋白质后，他们发现TALEs并不会聚集到他们指定的DNA序列上。但CRISPR只需要RNA就可以识别出基因组中的特定DNA序列。如果把蛋白质合成比作用K'nex制造过山车，那么构造RNA就简单得像用线串珠子。
与细菌中的CRISPR系统相比，我们认为CRISPR在人类和小鼠细胞等高级细胞中的适用性具有更大的医学意义。在办公室的白板上，张锋将他们将需要做的独立实验一一列了出来，并进行了细化。
“一开始只有我和张老师两个人，我们没日没夜地进行试验，”李聪说道。科学家们花了好几个月来测试Cas9酶，主要是监控它们是否会聚集到基因所在的人体细胞核中。因为CRISPR系统的起源——细菌——并没有没有细胞核，所以必须保证CRISPR在人体细胞中也能起作用。“我们想证明CRISPR是一种比TALEs更好的革命性的基因组编辑系统，”李聪说道。
他们常常工作到晚上11点或更晚。张锋每天有课要教，所以总是到了傍晚才有时间做实验。他们会在休息的时候吃拉面、中国菜外卖或卷饼。有一次他们还跑到张锋的公寓大楼，闯进别人的party喝了人生中的第一杯龙舌兰酒。（一人只喝了一杯，而且他们那天晚上还是又回到了实验室）。
科学家们必须证明至少两件事：即CRISPR可以编辑小鼠和人类细胞中的基因组，同时被编辑的基因组能够正常地发挥作用。他们用张锋自高中时期起最钟爱的绿色荧光蛋白对基因进行了标记，并用显微镜和高档照相机研究绿光：CRISPR对荧光基因的编辑越多，细胞发出的绿光就越少。
他们在2012年春天完成了基础工作，并得到了足够的数据来撰写论文，张锋说道。但这样的论文一发布就会沦为平庸之作。“我不想一得到可以发布的研究结果就草草将论文提交上去，“他说道。“我想发布一篇能够引起轰动的文章，而不是和谁争第一。”
“我们以为自己的时间充裕，”李聪回忆道。“我们不知道竞争是如此的激烈。”
事实上，竞争无处不在。2012年6月，瑞典于默奥大学的Emmanuelle Charpentier教授所领导的科学家们，以及来自美国加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna提出了使用CRISPR Cas9切割试管中的DNA靶序列。他们在发表于《科学》杂志上的论文中写道：这提高了“RNA可编程基因组编辑技术的潜力。”
张锋并不觉得别人抢了先，因为许多在试管中有效的生化技术都不适用于人类细胞。李聪还记得Charpentier Doudna在那年6月发表了论文，而他们在那之前就已经想出了另一种“完全独立的Cas9基因组编辑方式”：“我们在发表论文之前就已经完善了这些细节，”李聪说道，张锋又把这些细节列入了他们的拨款申请中，那也是在6月之前。
此外，他们还阅读了竞争对手的论文。论文里描述的两种分子与张锋团队设计的CRISPR Cas9系统“大不相同”，并且缺乏制作活细胞基因组编辑系统的“关键部件”。
于是他们在夏末做了更多的工作，搜集了大量的数据来证明他们的系统不仅适用于人类和小鼠细胞，还可以一次编辑多个基因。在最后的冲刺阶段，张锋为不断扩大的实验团队招揽了更多的研究人员，同事们认为这种做法类似于高科技初创企业：他采用了一个杀手级应用软件，像通讯兵一样不断把人拉入战场。张锋强调了“我们”这个词，它表明了只有他的团队才能编辑人类基因组。
10月5日，他们把论文发给了《科学》。2013年1月初，《科学》在网上公布了這篇论文和，此外还有一篇来自哈佛大学George Church实验室的较短文章。张锋在哈佛学者协会任职期间，曾在这个实验室工作过。当被问及是否知道自己的导师也是竞争对手之一时，张锋表示自己并不知情。
张锋已经收到了一些负面新闻，成为推特上热讽的临时对象，因为麻省理工在申请一项CRISPR专利时，付了70美金以加快审查。这被对手描述成在某种程度上逾线了，因为Doudna和Charpentier在几个月前提交了专利申请，但尚不明确是否会对专利权的决定起到影响。
当时，专利局使用的系统是奖励首先发明或构思出新颖事物的发明人；张锋早已提交实验室笔记，旨在证明他的实验室的确是第一个，这最终将比加快审查的分量重得多。在当前“先申请制”下，专利可能会颁给Doudna 和 Charpentier。但在旧的先发明制有效的情况下，麻省理工在2014年4月获得了一项关键专利，关于利用CRISPR编辑植物和动物基因组，而张锋被列为发明人。
Berkeley对该决定提起了上诉。其认为Doudna 和Charpentier 取得了关键CRISPR突破——尤其是识别促使CRISPR工作的三个关键分子——而张锋在动物细胞上的成功仅仅是他们工作的延伸。
张锋否定了Berkeley的论述，辩称Doudna和 Charpentier2012年的论文中“表明了可以在试管中减少DNA，如果延伸到植物和动物细胞上是很‘明显’的，”假使像Broad的批评人士认为的这样，“那么为什么论文会刊登在《科学》——世界顶级期刊之一上呢？”他问道。张锋说，2011年他想利用Cas9来编辑动物基因组，但在人类细胞上，他用了一种不同的RNA设计，而非Doudna 和 Charpentier所描述的那种。
张锋的突破帮助打开了研究的闸门：标题中含有CRISPR的科学论文的数量从2012年的90篇增加至今年的741篇（经计数）。这部分应归功于张锋：他一直使用的是一个非盈利的，叫做AddGene的工具来分配基因和其他被世界各地的生物学家称为试剂的物质。
浓厚的兴趣反映出CPRSPR对基础和商业研究的惊人力量。不管怎样，罕有媒体在提到CRISPR时不包含“设计婴儿”一词。这项技术本质上适用于任何细胞，包括人类卵子、精子和胚胎。生于这一“生殖系工程”的人将携带基因组2.0，他或她的后代亦是如此。它还带来了一种狂热猜测，即用编辑基因来增强个性、认知、行为和身体特征。
四月，当中国科学家报道了使用CRISPR，通过体外受精来编辑无法存活的胚胎的基因组时，引发了广泛热议。下个月，美国国家科学院将就基因组编辑，它的前景、风险及监管需求召开一次国际峰会。
十月，张锋向国家科学院描述了他的工作，强调他的实验室及其合伙创建的公司Editas Medicine, 正在开发基于CRISPR的治疗，主要是针对非种性细胞的，例如编辑血细胞基因，以此来治愈镰状细胞疾病。这将是十分具有革命性的，它使得瞬间改变一个人的一生成为可能，他说。
张锋正在进行一个实验，实验室内有 DNA 和RNA
实验室里一切都发生得很快
比起其他一切，张锋最引人注目的是他的产出能力。自2013年关于CRISPR的突破性论文开始，他相继又刊登了38篇论文。张经常与年轻的同事一起愉快地吸移试液，直至深夜，然后“同家人吃完晚饭后又回到实验室”。他的妻子、蹒跚学步的女儿以及父母挤在一间离Broad一英里远的公寓里。博士后研究员Naomi Habib说，“他总是等不及到早上才知道实验的结果，他树立了一个榜样。他从不衡量我们的时间，但却用激情感染了我们。”
当Habib告诉张锋，她怀上了第二个孩子时——一般来讲，对于这一消息，许多实验室领导，不管男性还是女性都会表现出厌烦甚至是恼火——而张峰却安排了一名技术员接手了她的实验，在她缺席期间确保了实验的开展。
张锋常常称赞其他科学家，即使是那些处在实验室底层的人。2014年，当他和同事设计了一种新的关于CRISPR的蛋白质时，他将其命名为SAM，字面上理解是“协同激活介质”，而实际上是进行这项研究的三个学生姓名的首字母。“我们必须想一个花哨的名字来取悦审查员，”张锋说，“而SAM恰恰就是了。”
他拥有一种不可思议的能力，即识别一种想法的潜能，正如他首次听到CRISPR时所做的那样。五月，一名参加在Broad举办的基因工程会议的科学家，提到一些细菌可能会用Cas9以外的DNA酶切。之后，张锋偶然间走到他的研究生之一Bernd Zetsche跟前问道，“你忙吗？” Zetsche一脸茫然支吾道，“嗯，啊？”当然，因为他正忙于进行一个项目。但张锋给他重新制定了方向，使他进入到最新的头脑风暴中。
九月，他们刊登了一篇论文，描述一种分子剪刀的新型成员，可用于编辑人类和其他基因组。“不知何故，实验室里一切都发生的很快。” 对于转变的惊人速度，Zetsche仍有点不知所措。
尽管张锋因CRISPR而被大家熟识，但他的观点只是实现其真正目标——用遗传学来理解并最终治疗精神疾病——的一种方法。张锋实验室一半的研究都聚焦于大脑研究。“驱使我的是真正改变自闭症、抑郁症、精神分裂症及其他严重疾病可能性的存在，”张锋说，“所有这类疾病带走的东西，比如感到快乐的能力，进行有意义的社会关系，清晰而深刻的思考，对于每个人来说都是自己十分重要的一部分。”
尽管张锋因CRISPR而被大家熟识，但他的观点只是实现其真正目标——用遗传学来理解并最终治疗精神疾病——的一种方法。张锋实验室一半的研究都聚焦于大脑研究。“驱使我的是真正改变自闭症、抑郁症、精神分裂症及其他严重疾病可能性的存在，”张锋说，“所有这类疾病带走的东西，比如感到快乐的能力，进行有意义的社会关系，清晰而深刻的思考，对于每个人来说都是自己十分重要的一部分。”
最近的一次实验室会议中，Habib 在长会议桌上用PowerPoint向三十多人展示了实验结果，这项实验测量了成千上万的基因中，哪些基因在哪些脑细胞中是活跃的。尽管张锋没有主导谈话，但却是焦点之一，因为他得确保他们实验发现的重要性能够完整地公之于众。
“为了让公众容易理解，我们制作的有些图示展示力度是不够的,” 他建议道，“如果准确传达出‘我们能做且它很重要’的意思就好了。” 永远把听众“当做在上高中生物课的学生而非你的同行，”这是张锋的秘诀。
如果世界不知道你做出了突破，那么实际上你就是没有。他告诉同事。在达到自己的最终目的之前，张锋一定会试遍各种方法。CRISPR技术带来的名利，也许只是他将会路过的风景之一。
作者：动脉网
版权声明：
本网站所有注明“来源：梅斯医学”或“来源：MedSci原创”的文字、图片和音视频资料，版权均属于梅斯医学所有。非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，授权转载时须注明“来源：梅斯医学”。其它来源的文章系转载文章，本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的，转载内容不代表本站立场。不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
在此留言
小提示：本篇资讯需要登录阅读，点击跳转登录
#脑疾病#
53
#RISPR/Cas9#
44
#大脑疾病#
34
拜读，学习，思维敏锐行动力强！
56
#CRISPR#
40