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。

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。

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

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

• 本文與台灣科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《「熱量限制配合晝夜節律可延長小鼠的壽命」專家意見》
• 資料更新至 2022 年 5 月 10 日，完整文章請見上方連結

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示，「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果，不比「限制總熱量攝取」差，甚至效果更好。

控制吃飯時間，可以延長壽命？

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得．奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊，今（2022）年 5 月 5 日在國際期刊《科學》（Science）公開研究論文，使用小鼠為實驗對象，研究進食熱量與進食時間，與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後，再分成 5 個不同組別，分別是：

1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
3. 只能在日間開始兩小時內進食、
4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同，實驗過後，再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示，與完全自由進食的小鼠相比，有限制進食時間的小鼠平均壽命較長，其中第 2.4 組（只能在晚間每隔 90 分鐘進食，以及只能在晚間開始兩小時內進食）延長壽命的效果最好，平均可延長 35% 壽命；而只能在日間進食的兩組小鼠，平均可延長20%壽命。

研究也觀察到其它有趣結論：

• 隨著年齡增長，五組小鼠的體重，都比自由進食的小鼠更輕，且在非主要活動的時間（白天）進食的小鼠，白天的活動變多了。

• 在完全自由取食的小鼠肝臟中，原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變，有些基因表現降低，有些增加，且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上，這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出，僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食，可以延長小鼠的壽命，禁食可以對延長壽命效果有加分的作用，而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示，目前越來越多，動物實驗的研究結果顯示，「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果，不比「限制總熱量攝取」差，甚至效果更好。

過去研究飲食中，熱量限制對老化與壽命的影響時，常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年，科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示，限制飲食的熱量可延緩老化的效果，可能大部分來自於長時間且有規律的禁食^[1]。此外，另一項在果蠅的研究中也指出，不但是要有規律的禁食，何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式，要與動物本身的生理時鐘配合，在本來就比較少進食的時候進行禁食^[2]。

• 編註：小鼠是夜行性動物，上述文字中的「日間」指的是白天光線照射，對小鼠而言是休息和睡眠的時段，「晚間」沒有光照，才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實，單純只是限制總熱量攝取，只能提供很少的延長壽命效果，反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物，日間禁食對延長壽命的效果，遠比夜間禁食的效果更加顯著，至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示，調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

人類比照辦理也會有用嗎？

許翺麟教授 說明，本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知，飲食限制對不同品系與不同性別的動物，效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值，但是能否推論到其他品系的小鼠，甚至其他物種與人類，仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜，會影響老化的因素也不僅止於飲食，然而維持平衡且有規律的飲食習慣，加上適當的限制進食時間，也許是一種相對可行，且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究，能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻

• [1] Pak, Heidi H., et al. (2021) “Fasting drives the metabolic, molecular and geroprotective effects of a calorie-restricted diet in mice.” Nature Metabolism, 3(10), 1327-1341.
• [2] Ulgherait, Matt, et al. (2021) “Circadian autophagy drives iTRF-mediated longevity.” Nature, 598(7880), 353-358.
• Acosta-Rodríguez, V., Rijo-Ferreira, F., Izumo, M., Xu, P., Wight-Carter, M., Green, C. B., & Takahashi, J. S. (2022). “Circadian alignment of early onset caloric restriction promotes longevity in male C57BL/6J mice.” Science, e.