基因工程大突破！移除胚胎遺傳性疾病基因再也不是夢？

美國科學家利用 CRISPR-Cas9 技術，首度成功修復人類胚胎的遺傳性疾病基因，成功率大幅提高至 72.4%，這項研究成果於今年八月二日發表在《自然》期刊，可說是基因編輯技術進展的里程碑，不過要將這項技術應用於臨床治療，還需要更多的實驗測試才能確定不會有罕見的錯誤發生。

圖／ZEISS Microscopy @Flickr

利用 CRISPR-Cas9 修正胚胎中的遺傳性疾病基因

帶領研究團隊的通訓作者，也是《自然》雜誌評選的 2013 年度十大科學家──美國奧勒岡健康與科學大學的米塔利波夫（Shoukhrat Mitalipov）教授，再一次為世界帶來劃時代的研究。他曾以開發出極受爭議的粒線體置換療法（也就是常聽到的三親嬰兒）和利用人類皮膚細胞培養出幹細胞而聞名於世，這次他的團隊的驚世之作，則是將目前超夯的基因編輯技術── CRISPR-Cas9 ──直接注射入胚胎，成功修正遺傳性疾病基因。

研究團隊選擇用來測試的，是常見的遺傳性心臟病──肥厚心肌症（Hypertrophic cardiomyopathy, HCM）的基因，這個疾病平均每500人就有一人患病，而且通常不會在年幼時發病，因此帶有這個遺傳性疾病的基因並沒有因為天擇而消失，好發於中年人以及年輕運動員。

影片／本文所提研究之實驗操作過程
（S-phase injection：受精後18小時注射，M-phase injection：受精前注射）

研究人員為了測試這個方法是否能夠將遺傳性疾病基因修正，他們將 CRISPR-Cas9 注射到帶有一套正常基因和一套疾病基因的受精卵中，看看最後胚胎是否能成功被修正成不帶疾病基因。

實驗室將正常基因的卵子，以及帶有疾病基因的精子，進行體外人工授精，並且在不同的時間注射 CRISPR-Cas9 （「受精前（和精子一起注射）」和「受精後18小時」）。當 CRISPR-Cas9 注射之後，它會辨認出疾病基因，並將該段疾病基因剪切成DNA雙股斷裂，再交由細胞本身的DNA修補機制將DNA修復完成。

他們發現在「受精後」才將 CRISPR-Cas9 注射的話，因為受精卵已經開始進行細胞分裂，所以無法有效的修復胚胎內所有的細胞，使得部分胚胎內含有不同基因組的細胞（如下圖上排最右邊，藍色是正常細胞，褐色是仍含有疾病基因的細胞），而形成鑲嵌式胚胎（Mosaic embryo），或者是完全沒有被修復，胚胎內仍然具有基因缺陷。成功被修復的比例約 66.7%（36/54）。

如果在「受精前」將精子、CRISPR-Cas9 和正常基因片段一起注射，就能在 DNA 開始複製前進行修復，獲得較佳的修復結果。研究人員分析發現，所有的胚胎都進行了基因修復的步驟，72.4%的胚胎修復成功（42/58），剩下其他的胚胎則是正確辨認疾病基因的位置，但修復失敗了。

圖／Ma et al., Nature

研究團隊還發現，在使用這個基因修正的方法時，胚胎會使用本身的 DNA 進行修復，而非研究人員額外加入的 DNA 片段，意思是在胚胎發育初期，只會根據原本就存在於細胞中的基因進行修正，而不會使用外來的基因片段。這和他們一開始預期的不同，顯示胚胎在發育的早期修復 DNA 的機制可能和後期所使用的不太一樣。

同時為了要檢驗 CRISPR-Cas9 在運作時，是否錯誤的處理到其他基因，造成了不必要的突變（這種突變稱為「脫靶突變 off-targeting mutation」），他們也做了胚胎的全基因組定序。他們發現在所有正常基因的細胞裡面，完全沒有這樣的現象發生，這也顯示了這個基因修正方法的可行性與穩定性大大的提高。

技術突破使成功率大增，但仍需要更多實驗確認安全性

這項研究是由米塔利波夫的團隊聯合南韓與中國的團隊共同進行。雖然在他們發表之前，還有另外三個中國團隊也發表過使用 CRISPR-Cas9 來修正胚胎基因的研究，但他們這項研究的重要性，在於首次有這麼高的成功率，能直接對人類胚胎進行基因工程修正遺傳性疾病基因，並且大大減少了鑲嵌式胚胎的數量，以及 CRISPR-Cas9 常被質疑的問題：脫靶突變的現象，也沒有被偵測到。

雖然成功率目前只有 72%，不過米塔利波夫對此有信心可以藉由調整實驗條件來達到成功率 90%以上。儘管如此，仍然要謹慎面對這項技術，這樣的技術算是生殖細胞工程（Germline engineering），會使得修正後的基因能夠傳到後代子孫，如果失敗的話，將導致突變或疾病基因代代相傳，研究中的實驗數據量也只有五十幾，還需要更多的實驗才能確定不會有罕見的錯誤發生。

設計出你的理想寶寶？還有很長一段路要走

未來想要設計出你的理想寶寶，會像現在選擇遊戲角色造型一樣簡單嗎？圖／Wiki

有人說：這個胚胎基因編輯技術成功後，「設計嬰兒」就指日可待了。《自然》期刊的評論員 Heidi Ledford 在 Nature Podcast 的訪問中表示，這樣的想法是個「滑坡謬誤」。這個利用 CRISPR-Cas9 修正胚胎基因的方法，只能將有問題的部分修改成原本就已經存在的基因序列（例如實驗中父方的疾病基因被修正為母方的正常基因），無法說我選擇要這樣的眼睛、這樣的鼻子、或者超高 IQ，然後提供一段基因片段，就把你的「完美寶寶」製造出來，這個方法做不到，而且技術上還有很多困難要克服，還有很長的一段路要走。而這大概也是通訊作者米塔利波夫堅持使用「基因修正（correction）」來描述他們的方法，而非使用「基因編輯（editing）」的原因。

麻省理工學院的一位癌症研究學者 Richard Hynes 認為，一旦胚胎基因修正技術的困難被克服，那我們就需要開始思考與討論這項技術對社會的影響，以及該如何立法規範這種技術的使用。而這篇堪稱里程碑的研究，就是告訴我們，是時候該開始討論了。

參考資料：

1. Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos, Nature (2017), Hong Ma et al., doi:10.1038/nature23305
2. Biotechnology: At the heart of gene edits in human embryos, Nature | News & Views (2017), Nerges Winblad & Fredrik Lanner, doi:10.1038/nature23533
3. CRISPR fixes disease gene in viable human embryos, Nature | News (2017), Heidi Ledford, doi:10.1038/nature.2017.22382
4. In Breakthrough, Scientists Edit a Dangerous Mutation From Genes in Human Embryos, New York Times
5. Deadly gene mutations removed from human embryos in landmark study, The Guardian
6. First Human Embryos Edited in U.S. – MIT Technology Review, July 26, 2017

延伸閱讀：

1. 打造完美寶寶，工業技術與資訊月刊285期2015年07月號
2. 「DNA編輯大師」張鋒與CRISPR / Cas9 / Cas9基因編輯技術 – PanSci泛科學
3. 《自然》雜誌2013年度十大人物 – PanSci泛科學
4. CRISPR發展之英雄榜 – 科學Online