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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》

天下雜誌出版_96
・2017/06/26 ・1948字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》