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CRISPR/Cas9 基因編輯技術從何而來,又將帶我們走向何方?--《改變從心》

一個由好奇心驅使的基礎科學實驗,為何最後卻能發展成CRISPR/Cas9這個改寫基因科技的革命性技術?生技醫藥獎得主道納,在唐獎得獎演說中,分享了這個神奇的研究歷程,以及該如何面對CRISPR/Cas9可能引起的道德爭議。

自從1950年代發現DNA結構以來,科學家都在想:有沒有辦法編寫 DNA 密碼?過去數十年的研究告訴我們,許多遺傳疾病,以及我們所知道的許多生物知識,都源自於這個驚人的分子。要是可以精準地改變它的密碼,那會發生什麼事?

很有趣的是,用CRISPR/Cas9這個細菌免疫系統來進行基因編輯,其實源自於好奇心驅使的科學實驗。我們本來想了解的東西,跟最後得到的東西截然不同。如同夏彭提耶(Emmanuelle Charpentier)所說的,我們原本都想知道細菌如何擊退病毒感染,然而我們在研究的過程中,意識到我們所發現到的是一顆不得了的蛋白。我們可以駕馭它,做截然不同的工作。

生技醫藥獎得主三名之一的珍妮佛.道納(Jennifer Doudna),By Jussi Puikkonen/KNAW [CC BY 2.0], via Wikimedia Commons。

向細菌的免疫系統取經

從過去十多年來各地實驗室的研究得知,各種細菌內的 CRISPR 系統扮演著適應性免疫系統的角色。它們可以讓細胞辨識外來DNA,像是病毒感染時所注入的,或是透過質體轉型作用進來的。這些外來的 DNA 小片段會被嵌入基因體裡的 CRISPR 基因座。細胞會將這些夾在重複序列中的病毒序列轉錄成 RNA,用它們充當分子嚮導,來引導 CRISPR 關聯基因所表現的 Cas 蛋白,去辨識並且摧毀外來 DNA。它們是以蛋白-RNA複合體的形式來和外來的 DNA 進行鹼基配對,所以是 RNA 和 DNA 雜交。

這路徑所涉及的各個面向,都讓我們感到很有興趣。不過今天我的重點要談的是RNA引導的DNA切割是怎麼發生的。

利用 CRISPR-Cas9 技術進行基因編輯示意圖。By Ernesto del Aguila III, NHGRI, via Wikimedia Commons

我們和夏彭提耶合作,用生物化學方法純化了 Cas9 蛋白,發現它是雙 RNA 引導的 DNA 內切酶,意思是這個蛋白能夠和兩條不同的 RNA 結合。一條是包含引導序列的 crRNA,能和DNA進行鹼基配對。

在合作的過程中我們發現,另一條 tracrRNA 對於 crRNA 的加工處理很重要,對於尋找目標 DNA 的能力也是必要的,所以這是一個兩條 RNA 的系統在和蛋白交互作用,形成進行監控的複合體。這個蛋白的運作方式是靠兩把化學剪刀,在目標區域將 DNA 旋開後進行切割。重要的是,要切割的目標位置,必須是在 DNA 上的 PAM 模體旁邊。

在了解運作的機制之後,我們意識到其實可以把系統進一步簡化,弄得比自然界更為簡單。我們將兩條 RNA 合而為一,形成單鏈引導型態:一端包含需要搜尋的目標序列,另一段是和 Cas9 結合所需要的資訊。如此簡化成雙分子系統,一個蛋白被一條 RNA 引導至 DNA 序列,製造 DNA 的雙股斷裂。

如果要鎖定新的目標,只要變更 RNA 這一小段序列,任何分生學家都可以輕易在實驗室內辦到。我們為此感到很興奮,因為我們了解到這顯然是可以程式化的蛋白。設定指令即可導向不同的DNA序列,進行雙股切割。

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

為什麼 CRISPR/cas9 技術起飛如此地快?

為什麼這項技術起飛地如此快?第一,是鹼基配對的力量。細胞本來在很多情況就會利用 RNA-DNA 雜交進行基因調控。這個系統利用這個特點,只需變更引導RNA的序列,就可以改變要辨認的目標 DNA。而不要像先前的基因編輯技術那樣,需要改變整個蛋白來做 DNA 辨認。

第二,它是一個可塑性很高的系統,可以配合你的需求而進行改造。除了切除 DNA 造成基因體永久的改變之外,也可能利用這個系統來控制轉錄,改變特定DNA序列的蛋白表現量,或點亮基因體特定區域,用顯微鏡觀察其位置。

在此簡短地跟各位談一下我們目前要克服哪些挑戰,才能將這個強大的技術應用到人類醫療。我認為有三大瓶頸:第一個是輸送。第二是控制DNA如何被修復,假如實驗的目的是要改變基因體。第三,是和輸送與安全相關的「道德」議題,尤其是想應用到人類生殖細胞的話。

技術發展的同時,大眾也需要了解與思考

最後,我想要指出,我們有必要去思考當有這麼強大的技術出現的時候,我們該如何使用它。

如今,基因體可以輕易被修改,我們該怎麼辦?過去幾年,我非常投入這個議題,並廣邀各界討論基因編輯相關的問題,尤其是人類生殖細胞的編輯。還有基因驅動工程(gene drive),它指的是驅動一整個細胞或生物族群在短時間內被改造。

我邀請在座的各位一同參與討論,並且廣泛宣傳基因編輯。它是很棒的技術,我希望人們為此感到興奮,但同時也希望大家謹慎以對。

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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