中国自主知识产权的基因编辑系统出炉,年仅35岁的本土科学家已经打通产学研全路径

2021
07/06

+
分享
评论
动脉网
A-
A+

“21世纪是属于生物学的世纪”,这句话已经被反复提及了十几年,现实中的发展却一直到近两年才初见端倪。伴随着海外华人学者的大批归国和科研成果的不断出炉,中国的生物医学科研事业迎来了空前的繁荣。

 

中国科学院神经科学研究所的杨辉研究员对此笑谈道:“今年才2021年,如果按前、中、后来划分21世纪的话,我们现在还处于21世纪初期。这个属于生物学的世纪才刚刚开始。”

 

中国科学院神经科学研究所 杨辉研究员


作为一名在中国科研事业快速起步的环境中成长起来的青年科学家,时年35岁的杨辉在几年前就已经完成了Science、Nature、Cell三大顶级期刊的大满贯,毫无疑问是新生代生物学研究者中的佼佼者。

 

在与动脉网对话的过程中,杨辉始终展现出了一名科学家应有的严谨,和独特的民族自信。如今的他正经历着自我成长的转型过程,既包括了一名年轻科学家向科研团队领导者的转变,同时也包括了从科研工作者向创业者的转变。

 

拒绝哈佛邀约坚定归国

 

CRISPR/Cas9,一种在近几年快速发展的基因编辑工具,被很多人称之为“基因魔剪”。这个系统原本是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种免疫防御措施,用来对抗入侵的病毒及外源DNA。但在研究者们的手中,经过简单的体系搭建和功能诱导,CRISPR/Cas9摇身一变成了可以精准靶向特定基因进行DNA序列修改的工具。

 

CRISPR/Cas9在学术界一炮而红的时候,杨辉刚刚抵达美国开展自己的博士后研究工作。在基因编辑领域钻研多年的他,立即敏锐的意识到了CRISPR/Cas系统未来的应用前景,并迅速联同自己的同门好友,结合自己之前该领域的持续性探索,在短短几个月内就完成了两项相关研究,研究成果分别发表在了2013年4月和2013年9月的全球顶尖的生物学期刊Cell上。

 

凭借几项出色的研究成果,杨辉仅用一年半的时间就顺利的完成了自己在Whitehead生物医学研究所的博士后工作。当时摆在杨辉面前的有两条路,一条是继续留在国外,在成熟的研究环境下继续自己的研究;另一条则是回到国内,在一片当时还不够成熟,但正处于快速上升期的环境中做一名建设者。几乎没有什么犹豫,杨辉选择了回到国内,为中国科研事业的发展贡献自己的力量。

 

杨辉告诉我们,在他回国之前,哈佛大学已经递出橄榄枝,邀请其去面试,但他拒绝了。”我从未考虑过留在国外。我出国之前就和中科院神经所有过合作,并和所里的前辈有过接触和交流。我当时研究的重心在动物模型方面,在灵长类动物模型上我们国家的资源是非常有优势的。因此出国前我就决定,出国只是为了交流和学习,我是一定要回来的。国外游学丰富了我的经验和学识,而对比也让我发现国内也具备同等的学术氛围和研究条件,或许只是缺乏相关领域的专研人才。这坚定了我回国的决心。而神经所的学术氛围让我感觉很舒适,学术环境很开放,配套的资源也非常充足,我为能在这样的环境中工作研究感到兴奋。”杨辉回忆道。

 

科研只是起点,产业应用才是目标

 

归国到神经所任职之后,杨辉继续保持着自己的学术敏感度和钻研精神,在Science、Nature、Nature Protocols等顶级期刊上屡有斩获。在对CRISPR/Cas系统不断深入研究的过程中,杨辉看到了全球最顶尖的基因编辑学者都开始向临床应用靠拢,并且逐渐感受到自己正在从事的研究与临床之间的巨大差距。最终,一次偶然的机会,让杨辉下定决心步入产业,让自己钻研的技术不再被封锁在象牙塔中。

 

“2015年的时候我和我们所里另一个老师一起去福州医科大学去开一个有关SMA(脊髓型肌肉萎缩症)专业领域的会议。与会的其他专家们展示了这个领域的诊疗现状,只有当你贴近临床的时候你才能真正感受到一种罕见病会给多少家庭带来几乎是毁灭性的影响。重度的SMA患者很多在两岁以内就会死亡;一些稍微轻一点的患者则会下肢瘫痪,需要家庭成员的长期照顾。在罕见病中SMA算是比较幸运的了,目前已经有相应的药物可以使用。但是有更多的罕见病目前为止还没有可用的药物。如果我们的技术能力,能让这些疾病的治疗方案早哪怕一天实现的话,就可以救助更多的患者。”杨辉说。

 

到了2018年,杨辉感觉时机已经成熟,准备投身产业成就另一番事业。此时他唯一的顾虑就只有神经所是否会支持他的决定。于是他找到了中科院的老前辈求助。老前辈的回答也很简单明确,他告诉杨辉不要去刻意区分实验室或是公司,实现自己的价值是不分地方的。实验室也好,公司也好,哪里对于杨辉想要做的事情最有帮助,他就该去哪里。

 

老前辈的一番话给杨辉吃了一颗定心丸。杨辉的科研转化事业就这样开始了。

 

经过几年的努力,他创立的企业正沿着他的初心快速发展,力图通过基因编辑技术为更多罕见病患者谋求福祉。

 

“两边的工作其实有很多共通点。企业现在的产品研发还处于临床前阶段,和我在实验室里的工作非常类似。稍微有一点区别就是,实验室会更加开放一些,不一定要做基因编辑,其他的只要是有价值的科学研究我都会支持;产业转化就要做的更聚焦一些,我们必须围绕着现在缺乏优质治疗方案的疾病,去做一系列的技术工具和产品开发。”杨辉说。

 

做具有自主知识产权的基因编辑系统

 

虽然在科研和转化两方面都已经有所成就,有个顾虑却一直萦绕在杨辉心头。

 

在归国后的很长一段时间中,杨辉都将CRISPR/Cas9系统作为自己重要的研究目标,做出了一系列的优秀研究成果。尤其在2019年先后发表在Science和Nature的两篇文章中,杨辉团队和其他团队合作,利用自主设计的一种基因编辑脱靶检测方法GOTI,发现了当时常用的基于CRISPR/Cas9的单碱基编辑方法BE3,在DNA和RNA层面上,都有无法预测的脱靶情况发生。这也就意味着经典版本的BE3存在巨大的安全隐患。

 

也就是说,作为一项已经进入临床阶段的基因编辑技术,CRISPR/Cas9的安全性和准确性仍有待提升。

 

并且越是深入去研究,他就越能感觉到,虽然他围绕着CRISPR/Cas9的体系做了非常多有关脱靶的工作来优化这项技术,但这些都是建立在别人的专利技术基础上。CRISPR/Cas9系统终归不是我国具有自主知识产权的基因编辑系统,虽然目前的环境还比较开放,但是未来仍然有遭遇卡脖子问题的可能性。

 

杨辉用一个形象的例子解释了自己的担忧:“CRISPR/Cas9就像是电脑的Windows 或者IOS系统,你对这个系统做再多的优化,在这个系统上开发了再多的功能,一旦有一天系统的专利持有者不让你用了,你之前做的努力也就都白费了。而且在DNA层面的编辑,从机制上就存在着几乎不可能被避免的安全隐患。万一发生编辑错误,被编辑的细胞随时就有癌变的可能。”

 

带着这样的考虑,杨辉心中一直有个念头,要开发一个我国有自主知识产权,并且比CRISPR/Cas9系统更加安全高效的基因编辑系统。

 

这个念头最终转化到了实际的行动上。在杨辉和实验室团队的努力下,他们成功的挖掘到了Cas家族的两个新蛋白,Cas13x和Cas13y,并以此为基础,开发出了一种新的RNA编辑技术。

 

2021年5月,Nature Methods刊登了杨辉团队的研究成果。该研究成果发表后,很多国内外的实验室主动联系杨辉,希望能获取这一工具并进行进一步的研究。

 

”这是一个阶段性的成果,将鼓舞我继续钻研下去“。杨辉表示。他希望,自己的研发成果能够为所有基因医疗领域的学者带来启发。

 

 Cas13蛋白家族的进化树

 

在这篇文章中,杨辉团队首先对比了自己挖掘到的Cas13x.1和Cas13y.1与同家族其他蛋白之间的功能差异。敲减试验显示,Cas13x.1和Cas13y.1比此前其他研究者研究的Cas13a和Cas13b具有更强的敲减活性。这也就代表着如果围绕着Cas13x.1或者Cas13y.1搭建RNA编辑系统,将有可能实现比Cas13a/Cas13b体系更高的编辑效率。

 

 不同Cas13家族蛋白对12个不同内源性转录本的基因编辑效率对比

 

事实情况也正是如此。杨辉团队接下来重点研究了Cas13x.1的编辑功能,发现Cas13X.1在主要编辑应用场景中实现的编辑效率显著高于Cas13a。

 

 Cas13X.1的不同截短型基因编辑效率的对比

 

杨辉团队还进一步缩小了Cas13x.1的分子量大小,并与RNA单碱基酶进行融合,可以进行RNA单碱基编辑。在检验了几种不同的截短型之后,杨辉团队找到了一个分子量更小,但仍然可以保持Cas13X.1蛋白功能的截短型C150-N180(Mini)。蛋白分子量的缩小让这个系统在未来的使用过程中可以更加灵活。

 

杨辉对于此次发表的文章解释到:“基于Cas13的RNA编辑系统不是我们首创的,只不过以往大家使用的都是Cas13a/b/d。我们对这个系统进行了一定的研究后发现,这个系统还存在比较多的问题。所以我们就从同家族的蛋白中挖掘到了蛋白更小、编辑效率更高、脱靶率更低的新蛋白,并且以此为基础已经建立了属于我们自己的专利群。”

 

有了属于自己的专利群,未来杨辉在产业转化上也将更多向RNA编辑方向倾斜,将产品搭建在有自主知识产权的底层技术上,实现完全的“中国创造+中国智造”。

 

未来的科研,应当属于年轻人

 

作为新一代中国土生土长的科学家,在过去的十年中杨辉亲身经历了中国科研环境的巨大变化。

 

“我读博士的时候,国内的院校中能够和国外比肩的,差不多也就是中科院了。大学的整体科研能力还在搭建中。但是很快,在2010年之后,国家开始大力投入,大批的科学家从海外归国,国内的科研环境发生了翻天覆地的变化。在我做完博士后研究归国的这几年中,明显看到大家文章越发越好,说明基础科研的平台越来越好了。比如现在北京和上海的科研环境,除了比波士顿这样被称为‘生物硅谷’的地方略逊一筹,已经达到全球最顶尖的水平了。”杨辉说。

 

国家的大力推动加上一股华人学者的归国热,让中国的科研事业,尤其是生命科学研究进入了蓬勃发展的十年。作为年轻一代高水平科研工作者中的代表人物,杨辉认为新生代科学家的出现恰恰代表着国内的科研体系正与国外加速靠拢:“科学的进步需要年轻人的创造力来推动,比如在CRISPR领域,博德研究所的几个著名的科学家都是年少成名。国外的科研体系其实就是这样,有一批年轻人在刻苦钻研,而老科学家们则一直在引导着年轻人的前进方向。”

 

杨辉的实验室也在持续扩容,如今已经形成了几十人,并且以博士后为主的庞大队伍。在培养对象的选择上,杨辉表现出了非常开放的态度,以前发过什么文章,得过什么奖项对杨辉来说并不重要。只要学生做实验基本功扎实,并且在研究设计上能够保持逻辑清晰,就已经足够了。

 

杨辉认为最重要的是学生要有自己的原动力,可能是想发好文章,可能是未来想做PI,也可能是想向临床方向靠拢。所以杨辉在实验室基本只做大方向的把握,对于实验中的细节则交给学生去自由探索:“我们实验室现在甚至有差不多一半的课题都是学生自主提出来的。在我们实验室的环里,如果只是以混的态度的话,都不需要我去找学生谈话,他很快就会跟不上然后自己选择离开了。”

 

正是因为有了像杨辉这样的青年学者带队,中国的科研事业已经逐渐具备了自主“造血”的能力。对于下一代科研工作者的成长,杨辉认为“唯海归论”不再可取:“出去开开眼界是对的,去到全球最顶尖的研究机构中去了解那里的环境和氛围。但是主要的科研工作还是该回来国内做。国内现在对于生物医药的科研发展支持力度这么大,应该把自己最好的青春年华留在国内。从我个人的角度上,我其实很希望未来能再多给年轻的科研工作者一些机会,让他们有更大的空间去施展拳脚。”

 

参考文献:

Chunlong Xu et al.Programmable RNA editing with compact CRISPR–Cas13 systems from uncultivated microbes.Nature Methods 18,499-506(2021).

★ 如果您想对接动脉网所报道的企业,请点击文末左下方“阅读原文”填写表单,我们的工作人员将尽快为您服务。

声明:动脉网所刊载内容之知识产权为动脉网及相关权利人专属所有或持有。未经许可,禁止进行转载、摘编、复制及建立镜像等任何使用。  
本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
基因,系统,编辑,生物

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!