愚公生物-限制性内切酶的前世今生

对于分子生物学和基因工程的从业者来说，限制性内切酶（Restriction Enzymes，简称限制酶或内切酶）是再熟悉不过的工具，在中学生物教科书中就有相当篇幅的描述。限制酶能够识别特定的DNA序列，并将DNA切开，被称为DNA的“分子剪刀”。有了限制酶，人类才能够开始对基因进行各种编辑操作。可以说，没有限制酶，就没有基因工程。今天，我们就走进第一代基因编辑工具——限制酶的前世今生。

因发现并应用限制酶而获得1978年诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家

20世纪60年代，科学家发现某些噬菌体（在细菌内寄生的病毒）侵染某一类特定细菌后，噬菌体在细胞内的增殖会受到“限制”。1962年开始，瑞士遗传学家Werner Arber课题组发表了一系列论文，提出在细菌中存在一类“限制-修饰”系统：有一种酶能够降解外来噬菌体的DNA，从而限制噬菌体在细菌内的繁殖；而同时细菌中还应该存在一种修饰酶，能够保护细菌本身的DNA不被破坏。1968年，在Arber的启示下，美国科学家Matthew Meselson和Robert Yuan首次从大肠杆菌菌株中分离获得了限制酶EcoKI和EcoBI，证实了Arber的猜想。

比Arber稍晚一些，美国生物学家Hamilton Smith也在噬菌体侵染流感嗜血杆菌的失败实验中发现了类似现象。在一次期刊研讨会上，Smith读到了发现EcoKI的论文，很快意识到流感嗜血杆菌中应当也存在同样的限制-修饰系统。1970年，Smith课题组从流感嗜血杆菌中分离纯化到了另一种限制酶HindII。

在Hamilton Smith分离到HindII时，他的同事Daniel Nathans（当时正在以色列做访问学者）已经被如何将病毒DNA切割成片段的问题困扰了一年多。Smith写信告诉Nathans发现了一种可以在特定位置切割DNA的酶。Nathans意识到这将是个非常重要的技术，立即回到美国与Smith展开合作。1971年，Nathans以最简单的动物致瘤病毒SV40为基础，用限制酶把SV40病毒DNA切割成11个特定的片段。1973年，Nathans又用另外两种新发现的限制性内切酶切割了SV40病毒基因组DNA，然后对三种限制性内切酶切割而成的DNA片段进行排列组合，得到了SV40的基因组物理图谱，这是人类首次用化学方法获得的基因组图谱。

限制性内切酶的发现和制备，使得人类可以开始对基因进行剪切、组合等编辑操作，标志着基因工程技术的诞生。因发现限制性内切酶及其在分子遗传学方面的应用，Werner Arber、Daniel Nathans和Hamilton Smith共同获得了1978年诺贝尔生理学或医学奖。

瑞典1989年发行的诺贝尔奖纪念邮票。票面为限制酶切割DNA分子示意图，左下方有三位获奖者的名字

限制酶的商业化历程

1974年，美国科学家Donald Comb辞去了哈佛医学院生物化学系副教授的职位，在自家车库里创办了New England Biolabs（NEB）公司。1975年NEB推出的首批产品就包含18个限制酶，第一年就实现了20万美元的销售收入，在那个年代是一笔非常丰厚的回报。此后，NEB始终秉承“By scientist, For scientist”（由科学家创建，为科学家服务）的精神，为分子生物学工作者提供各种优质的工具酶，仅限制酶产品就有270种，成为该领域的领军企业。

NEB创始人Donald Comb (1927-2020)

在NEB发展历程中还有一位关键人物Richard Roberts。1972年，他在聆听了Daniel Nathans关于限制酶应用的报告后，立即决定转投这个领域。在1974年NEB创立之初，Roberts就担任顾问兼科学咨询委员会主席。他率先收集了各种已发现的限制酶信息，建立了第一个限制酶数据库——REBASE，并由NEB维护至今。1992年，Roberts全职加入NEB担任首席科学家直至今日。1993年，Richard Roberts因为发现断裂基因（即基因由外显子和内含子组成），而与Phillip Sharp共同获得诺贝尔生理或医学奖。

与此同时，冷战铁幕另一边的苏联也在分子生物学领域进行着积极的探索。早在1962年，苏联政府就决定建立5个酶工厂，其中3个位于俄罗斯，1个位于哈萨克斯坦，1个位于立陶宛。立陶宛工厂于1970年建成，1971年投产，厂区内的生物技术研究所也开始运营。1975年，苏联应用酶学研究所在立陶宛成立，Arvydas Janulaitis在此研发出苏联的第一个限制酶，并与NEB一起不断丰富着REBASE。