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。
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。
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。
不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。
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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。
蔡育彰說明,精準育種使用的基因編輯技術,與傳統基因改造不同,傳統基因改造是經由外加的基因。他指出,實際應用的困難在於,精準育種此技術應用在不同作物、品種和品系上,效率也都不同。由於目前法規允許的精準育種技術有限制 DNA 序列的變異型式,應用於許多現行栽培的作物種類上可能預期效果較有限。蔡育彰也提醒,精準育種技術的應用也需要對目標作物的基因組序列有完整的了解。