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。
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。
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。
fierycloud
