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你不可不知的 CRISPR/Cas9:點燃基因科技大革命的火種--《改變從心》

圖/Pixabay

生技醫藥獎得主夏彭提耶,在唐獎得獎演說中,分享了CRISPR/Cas9如何發展成當前最熱門的基因編輯技術,以及這個技術未來可能的發展與挑戰。

人們能了解基因功能、並能釐清不同生物的複雜基因體,這要歸功於許多酵素、蛋白和系統的發現。它們原本存在於細菌或病毒中,大多都是在科學家在研究細菌如何抵禦自身的病毒(噬菌體)時所發現的。

1970年代,用來做基因選殖的限制酶被廣泛使用,還有其他種類的酵素,對於重組DNA和分子生物領域很有幫助。此時,遺傳學崛起,能夠操控基因,了解基因表現如何被調控和它們的功能。而後發展出DNA定序與擴增DNA的方法。

科學家在研究真核生物中的核酸,例如大範圍核酸(meganuclease)和自引導核酸(homing nuclease)時,想到可以設計新的核酸。例如 ZFN 與 TALEN。前者在2000年初開始被使用,後者在2010年開始。大家對它們很感興趣,因為它們可以為基因做精準的手術。它們利用蛋白來辨認 DNA,所以每次都得重新製造一個新的核酸,才能編輯與辨認一段新的DNA序列。

但是這些技術有一些瓶頸,因為製造核酸的工程不容易,若要普及化有點困難。基因編輯顯然需要更省時、更簡單、更容易設計的工具。

開發CRISPR技術、第二屆唐獎生技醫藥獎得主之一伊曼紐.夏彭提耶(Emmanuelle Charpentier)。By Bianca Fioretti, Hallbauer & Fioretti [CC BY-SA 4.0] , via Wikimedia Commons

CRISPR/Cas9 的基因編輯原理

CRISPR/Cas9技術是一個雙分子系統。一個分子是蛋白,一個分子是RNA。在自然界其實是兩條RNA,crRNA 以及 tracrRNA,我們將這兩條RNA連結在一起,形成了「單鏈引導RNA」。

透過 RNA 可以將 Cas9 程式化。操作者只需要變更RNA的部分序列,使它和目標 DNA 的序列互相對應。透過 RNA 的這段序列,和 DNA 對應序列的鹼基配對作用,核酸就可以被導向正確的位置,切斷 DNA。

Cas9 蛋白結構,以及單鏈引導 RNA和目標 DNA。By Hiroshi Nishimasu, F. Ann Ran, Patrick D. Hsu, Silvana Konermann, Soraya I. Shehata, Naoshi Dohmae, Ryuichiro Ishitani, Feng Zhang, and Osamu Nureki [CC BY-SA 3.0 ], via Wikimedia Commons

DNA上有一個重要的模體(motif)需要列入考慮,稱為原間隔序列相鄰模體(PAM)。這段模體必須緊鄰RNA所要辨認的目標序列下游。這個系統簡單,易於程式化,而且效率非常高。

世界各地的生物學家所使用的系統中,以來自化膿性鏈球菌的系統效率最好。它是人類特有的病原體,這種細菌可能會引起多種疾病,從較輕微的咽喉炎到嚴重的壞死性筋膜炎。我們想研究這個病原體如何生存、如何導致疾病,或許藉由發現新的機制,我們可以開發醫療的潛能,不管是找到對抗感染的方法,還是新的抗生素治療方法。

結果,我們卻找到了可以在各界生物細胞中易於使用的基因編輯工具。它可以取代原本的 ZFN 與 TALEN,在生物細胞中做基因編輯,應用於生技、生醫和基因治療。

挖到寶啦!具備多重優勢的CRISPR/Cas9

這個系統有多重的優勢,它便宜、容易使用,效率高,應用彈性也高。舉例來說,它允許編輯多重基因,只要設計不同的RNA分子,就可以同時辨識基因體中不同的序列。而且這個系統的毒性低,專一性高。雖然大自然中沒有100%的專一度,但很多研究者發展出可以提高此系統專一性的方法。

在我和道納(Jennifer Doudna)的論文發表於《科學》期刊之後的六個月後,許多論文也在同期間發表,顯示這個技術真的很有用。在人類細胞中進行基因編輯從張鋒的研究團隊開始,之後有徹奇(George Church)和其他的研究團隊。接著有人在小鼠中成功進行基因剔除,甚至同時剔除多組基因,並將這個系統應用於細菌及植物中。很快的,科學家發現這個技術有助於改良各種遺傳學實驗,不論是做果蠅、酵母菌,或斑馬魚,甚至人類器官的研究,也可以用在猴子身上。

治療基因缺陷的未來曙光

CRISPR/Cas9 的應用非常廣,從醫藥、農業到合成生物。在醫療上,它的價值在於提升對於基因功能的了解,因為它讓科學家可以更有效去變更人類細胞和其他生物的基因;這些生物物種可以被當作疾病模型,讓研究者有更多新方法來篩選藥物標的。

CRISPR/Cas9也可應用於「病床到實驗桌」(bed-to-bench)模式,研究者可以把心力用在定序病人的基因體,來尋找可能造成特定疾病的基因突變,再回到實驗室來測試這些突變是否真的跟疾病有關。

將CRISPR/Cas9發展成直接的基因藥物、用於基因治療,是未來的另一大挑戰。CRISPR/Cas9可能是以體外的方式,結合基因療法與細胞療法,或是用輸送系統,直接精確地導入病人體內。如果發展成功了,未來就真的有機會治療嚴重的基因缺陷。

本書摘自《改變從心 : 唐獎第二屆得主的故事》天下雜誌出版。

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