0

2
1

文字

分享

0
2
1

基因研究大明星「CRISPR 基因編輯技術」的現在與未來在哪裡?

Research Portal(科技政策觀點)_96
・2018/11/28 ・5524字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 609 ・十年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/ 陳淵銓 、 李慧芳
圖/qimono @Pixabay

基因編輯技術 CRISPR 的原理

CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)是一種細菌對抗外來質體(plasmid)或噬菌體(phage)的後天免疫系統(adaptive immunity),細菌會對曾侵入的 DNA 產生記憶,當序列相同的 DNA 再次進入細菌時,會產生免疫反應以分解此外來的 DNA。外來的DNA 首次進入細菌後並未完全被分解,經加工後可嵌入細菌基因體中,稱為 CRISPR 陣列(array),此特殊區段能夠轉錄合成 mRNA(messenger RNA),而菌體中具切割 DNA 活性的蛋白質則會利用 mRNA 片段去辨認互補性的 DNA 片段,並切除符合序列的標的物(圖 1,Barrangou 2010,Church 2013)。

圖 1 :CRISPR 的作用模式:小型導引 RNA(small-guiding RNA, sgRNA)辨認特定的 DNA 序列後,結合的 CRISPR associated protein 9(Cas9)蛋白會裁切在 DNA 正反兩股的 Protospacer adjacent motif(PAM)NGG 上游各 3 個核苷酸的位置,形成鈍端的雙股斷。 圖/本研究整理。

基因編譯技術目前的優點及困難

CRISPR 廣泛受到基因編譯相關研究人員的採用,主因是具有下列優點:

(1) 無物種限制:動物、植物及微生物均適用此技術進行基因編譯;
(2) 簡單:基因標靶點(target site)搜尋容易,且 DNA 正反兩股皆可設計,質體構築失敗率低,Cas9 蛋白辨識效率高;
(3) 準確:利用 RNA 與 DNA 互補性鹼基配對的原理(complementary base pairing),sgRNA 可以正確的辨認標的 DNA 序列;
(4) 迅速:使用 CRISPR 技術僅需合成特定序列的 DNA 或 RNA,較製造重組蛋白更為穩定且有效率;
(5) 便宜:製作材料僅有引子(primer)、質體及簡單的酵素,所需成本較傳統方法為低。

CRISPR 雖具有很多優點,但仍有下列困難:
(1) 脫靶(off target)效應:未必能完全正確的裁切在標的位置,比率高低很難估計,成品的篩選(screening)及驗證(verification)程序是必要的;
(2) 傳遞工具(delivery tool)的選擇:通常採用病毒、電衝擊(electroporation)、脂質(lipoid)或奈米粒子(nanoparticle)作為傳遞方法,而傳遞成功率攸關作用效能,工具的選擇及效能驗證非常重要。

從基礎研究到生產工具的應用

CRISPR 應用範圍相當廣泛,目前此技術已付諸實際應用或有潛力運用的項目如下:

(一)基礎研究的工具

CRISPR 作為執行動物、植物、微生物基因編譯或基因體分析的技術,過去數年已有很多相關文獻發表(Church 2013,Zhang 2014),是目前最成功且最廣泛的應用,有一些生技公司使用此技術製作轉殖動物、植物及微生物,或者執行人類基因體的分析(Contreras and Sherkow 2017)。

(二)輔助工具的發展

使用 CRISPR 進行研究時所須使用的試劑和周邊設備包括成套工具組(如Surveyor mutation detection kit)、鑑別酵素(如mismatch-specific DNA endonuclease)、次世代定序分析(如next generation sequencing)等,近年開發和銷售這些輔助工具的廠商已如雨後春筍般成立(Contreras and Sherkow 2017)。

(三)生產農工業產品或作為醫療的方法

開發農工業產品、藥品、治療及診斷方法是 CRISPR 最重要的應用,相關產品的預期利益亦最為豐厚,特別是人體治療,目前已有多種農工業產品進入商業化生產,醫療用品則大多仍在研究或臨床試驗階段,真正實際運用到人體者很少(Contreras and Sherkow 2017)。

CRISPR 技術轉移、智慧財產權及應用的現況

CRISPR 在先進國家研究成果豐碩,專利與證照的申請案逐年增加,藥廠與生技公司紛紛運用此技術生產產品,相關產業發展迅速,規模越來越大。以下以美國為例,說明 CRISPR 在技術轉移、智慧財產權及應用的現況(圖 2):

(一)專利與證照

美國麻省理工學院 Broad 實驗室的張峰(Feng Zhang)和加州大學柏克萊分校的珍妮佛 ‧ 杜德納(Jennifer Anne Doudna)是 CRISPR 專利爭奪戰兩個團隊的領導人物。自 2013 年 3 月 16 日起,美國新專利法從「先發明制(First to invent)」改採「先申請制(First inventor to file)」制,並修改專利法,以歷程調查程序(Derivation proceeding)取代專利衝突程序(Interference proceeding)。

杜德納團隊於 2013 年 3 月 15 日提出申請,而張峰團隊於 2013 年 10 月 15 日提出申請,但花費大筆經費使用優先審查服務,因此早於杜德納團隊,於 2014 年 4 月便獲得了美國專利局核准專利。目前此案仍在上訴處理中,專利歸屬仍有爭議,但預期爭議各方會有妥協的趨勢,可能會結束某些專利權而最終進行證照交換(cross license)(Cohen 2017)。

現今在美國從事 CRISPR 技術轉移的公司或機構,較著名的包括 Broad Institute、Editas Medicine、Caribou Biosciences、Intellia Therapeutics、ERS Genomics 及 CRISPR Therapeutics,其發展方向各異,但共同特徵是均為代理人(surrogate)且與專利持有者關係密切,通常只進行技術轉移,實際的生產銷售則由規模更大的藥廠或生技公司負責。對於一般性應用則通常採取非獨家的技術轉移及授權,如研究工具、農工產品、實驗動物或藥品開發等,但涉及人體治療的部分,則通常採取獨家的技術轉移及授權(Cohen 2017)。

(二)CRISPR 企業的成立

CRISPR 的發展已成功創造出新產業,造就許多 CRISPR 公司的成立(the birth of CRISPR Inc.)。

此技術首先在食品畜牧業開創出一片天地,案例如:1. 成功開發可抵抗噬菌體攻擊的乳酸生產菌株,大幅提升乳製品的產能,例如優格(yogurt)和乳酪(cheese)的生產。2. 應用於編譯動、植物或微生物基因以產出所需特性的家畜、農作物或商業化生產酵素,或是進一步製作基因轉殖動物,作為研究疾病及開發藥物的動物模式(animal model)。

生技醫療方面,鐮刀型貧血症、地中海型貧血症、裘馨氏肌肉失養症和囊腫性纖維化等,遺傳性疾病的基因治療都已在研究中或進入臨床試驗階段;更有藉此製作誘導性多功能幹細胞(induced pluripotent stem cells, iPS)和嵌合抗原接受體 T 細胞(chimeric antigen receptor T cells, CART)用於細胞、基因或免疫治療者(Cohen 2017)。其中,諾華(Novartis)的 CART 療法Kymriah(tisagenlecleucel)用於治療復發性和難治性 B 細胞急性白血病的 25 歲以下患者,是美國食品藥物管理局(US FDA)所核准上市的第一個基因療法。

(點擊圖片可放大)圖 2 :美國的 CRISPR 技術轉移相關的公司、智慧財產權持有者及應用(引用 The Birth of CRISPR Inc. Science, 17 Feb. 2017; 355(6326):683) 圖/本研究整理

在美國,CRISPR 發展與日精進;應用範圍漸廣,使專利申請十分踴躍,但獨家的技術轉移及證照授權,引發了智慧財產權持有者與各大藥廠、生技公司的商業利益競逐。自從此技術變成一門生意(business)之後,確實為美國社會帶來爭論甚至撕裂,與 CRISPR 技術相關的智慧財產權、學術榮譽、個人利益、忠誠、自我期許、地域及媒體版面等等議題,都浮上了辯論臺。當然,還有獲得諾貝爾獎的夢想(Cohen 2017)。

前景看好

CRISPR 的發展十分快速,具體可應用項目持續開展中,前景十分看好,尤其是下列三個面向,不僅業界大有可為,更可成為國家發展的推力:

(一)技術創新

CRISPR 可以加速問題的解決,如縮短基因轉殖動、植物產生的時程;更有潛力解決以往無法解決的問題,如治療病毒潛伏性感染及遺傳性疾病等。為促進生物科技的創新,與國際發展並駕齊驅,政府應制定政策鼓勵相關技術的研發。

(二)產業發展

CRISPR 應用於農工業及醫藥業,可加速產品研發的進度,增加企業的生產效率與獲利。為促進產業的升級與產學合作,政府應建立產官學界合作的管道和交流的平台,使得 CRISPR 的相關技術能從實驗室研究進入產業應用階段,加速實證醫學(translational medicine)的發展,並扶持相關產業的建立。

(三)精準治療(Precision medicine)

CRISPR 可運用於高度專一性和客製化的細胞和基因治療(cell and gene therapy),例如 iPS 細胞和 CART 細胞(圖 2,Cohen J. 2017)的製作,即在精準治療上扮演關鍵性的角色。為符合個別病人的需求,政府可擬定新政策配合,創造一個生物經濟(bioeconomics)體系和建立因應個體差異的人體生物資訊資料庫。

可能面臨的爭議與挑戰:社會、法律及倫理的層面

CRISPR 技術無疑為基因編輯帶來更多的可能性,但人類若藉此打造「理想生命」或追求「長生不老」,是否會造成問題? 圖/達文西《維特魯威人》 via wikipedia

CRISPR 已在生態、環境、風險評估及基因編譯的事務上引發了一些安全議題,我們有必要就社會、法律及倫理的層面上,作政策面的公共事務溝通,以下問題是最為大家所關切的:

(一)利益和風險的平衡(Balance of benefits and risks)

CRISPR 應用於基因編譯雖有無物種限制、簡單、準確、迅速及便宜的優點,但仍有脫靶或傳遞工具的問題,例如:脫靶可能會造成有害的突變,傳遞工具則可能具有毒性或成本很高。考量利益需評估相對之風險,以確保利益高於風險,但實務面上利益和風險評估之複雜性極高,需要利益相關者的擴大參與(Nicol etc. 2017,Rodriguez 2016)。況且各方立場及觀點往往不一,要達成平衡並不容易,須仰賴眾人建立一個科學性的利益和風險評估機制。

(二)個人利益及公共利益之兼顧(Compatibility of private interests and the public good)

張峰和珍妮佛 ‧ 杜德納在美國的專利爭奪戰引起了 CRISPR 的專利權及商業應用爭議,目前看來,大有個人利益凌駕公共利益之勢。為確保公共利益,獨家的技術轉移及授權的範圍應縮小,並增加創造發明此新技術的機構彼此間的競爭關係(Cohen 2017,Contreras and Sherkow 2017)。另一方面,技術開發者(專利持有者)與證照持有者(生產銷售者),應達成雙方協議,並制定相關專利法規,規定權利保護的時程與範圍,以增加創造發明的誘因;提高生產銷售的利潤;與保障商業利益,但應有相對義務之規定以兼顧公共利益。

(三)隨意改造基因(Random manipulation of genes)

任意編譯動物、植物及微生物基因可能會造成環境汙染和生態浩劫,最近科學家更首度成功利用CRISPR 有效的改變人類胚胎的 DNA(Sheron Begley, 2017),若任意改造人類基因體則可能會有人造人、複製人、甚至長生不老人的出現。為避免破壞環境生態和引發人類倫理危機,應用之範圍及目的須有妥善之政策規劃及法規規範,必要時應有適當的限制。

(四)人體治療商業化(Commercialization of human therapy)

CRISPR 運用在人體治療已有相當進展,近來在治療病毒潛伏性感染(如人類後天免疫不全病毒、疱疹病毒、人類乳突病毒和 B 型肝炎病毒等)、遺傳性疾病(Cohen 2017)及神經退化性疾病(如阿茲海默症、亨丁頓舞蹈症和帕金森氏症等)(Kim 2017,Li 2016)的研究上都有突破,亦相當有潛力運用在抗癌藥的研發。若這項技術可以成功運用在人類臨床治療,將有深遠的影響並帶來重大的價值。但這些疾病的療程通常耗時且費用龐大,若無管控,商業化恐在所難免。醫療人權乃普世價值,治療不應成為某些特定人的特權,政府對非歸因於己的基因治療需求者,應有適當之保險給付,並盡量降低基因治療之成本,配合合理的付費制度,以公正分配醫療資源。

臺灣的發展現況

在台灣,已有很多實驗室使用 CRISPR 作為研究工具,如製作幹細胞、基因轉殖動植物、微生物基因改造及藥品開發等,或者研究 CRISPR 引發的免疫反應,相當廣泛地用於基礎研究,並已有成果發表於學術性期刊或研討會論文、報告。在相關產業面則仍在起步階段,雖已有公司實際利用此技術從事研發和生產製造,但大多企業為代理商。

我國目前已有專利法作為專利申請的規範,有些學校或研究機關亦設有技術轉移單位,但參考國外專利申請之爭議,有關 CRISPR 的專利申請及證照持有,仍應明確規範申請流程,以鼓勵創造發明,並避免利益衝突(conflict of interest)。

近來政府及民間研究機關已投入不少經費於 CRISPR 相關的研究,例如:近 5 年科技部通過的 CRISPR 相關專題研究案及規劃推動案已有 39 件,領域涵蓋生物科學、自然科學及工程技術,核准經費總金額已超過新台幣 1 億 6 千萬元。我們團隊近來曾訪談過國內 CRISPR 相關研究人員,發現他們現階段面臨的挑戰如下表:

上表乃本團隊實地訪談後之研究整理。

CRISPR 前景看好,臺灣準備好了嗎?

CRISPR 是基因編譯的革命性發現,可快速而準確的改造標的物的基因序列,已開啟新的基因體研究世代。在國外,CRISPR 技術除已廣泛用於基礎研究外,並逐漸應用於生產農工業產品及人體治療上,不少生技公司和藥廠陸續投入研發和生產相關產品以搶食這塊商業大餅,相關產業正蓬勃發展。在台灣,CRISPR 技術主要用作為基礎研究工具,相關產業則尚在萌芽階段;儘管如此,我們預期 CRISPR 相關產業在不久的將來在台灣仍會迅速發展,並有促進產業的創新與升級之潛力。

雖然 CRISPR 在國內的發展有不少困難和挑戰待克服,相關政策亦仍在擬定中或法規仍在草案階段(如細胞與基因治療產品管理法草案),但綜觀國際科技發展趨勢,CRISPR 前景十分看好。解決技術上的困難需要發展新技術或改進原來的技術,可促進科學的進步;解決專利與證照的挑戰則有賴制定更完善的法規和政策。討論倫理問題絕非阻礙科學進步,而是一種未雨綢繆,著重解決未來可能發生的問題,對於科技發展的利弊得失及造成的衝擊進行多方面的探討,會使政策的規劃更為周延,亦有利於科技的長期良性發展。

目前我們團隊正在盤點國家投入於 CRISPR 研究過程中所發現新觀念及新技術,如利用 CRISPR 作為未來研究精準治療的疾病模式等。期許我國的研究人員在從事研究的同時,不但能解決技術創新瓶頸,甚至連專利證照申請及衍生的倫理問題都能一併考量,確實因應 CRISPR 的創新發展和國際潮流趨勢,開創美好前景(圖 3)。

圖 3 :CRISPR 的研發、應用及政策規劃。 圖/本研究整理。

參考文獻:

  • Basu S, Adams L, Guhathakurta S, Kim YS. (2017). A novel tool for monitoring endogenous alpha-synuclein transcription by NanoLuciferase tag insertion at the 3’end using CRISPR-Cas9 genome editing technique. Scientific report. 4 Apr. 2017; 7:45883.
  • Contreras J. L. and Sherkow, J. S. (2017). CRISPR, Surrogate Licensing, and Scientific Discovery. Science, 17 Feb. 2017; 355(6326):698-700
  • Cohen J. (2017).The Birth of CRISPR Inc. Science, 17 Feb. 2017; 355(6326):680-684
  • DiCarlo J. E., Norville J. E., Mali P., Rios X., Aach J., Church G.M. (2013). Genome engineering in Saccharomyces cerevisiae using CRISPR-Cas systems. Nucleic Acids Research. Apr. 2013; 41(7):4336-4343.
  • Horvath P. and Barrangou R. (2010). CRISPR/Cas, the immune system of bacteria and archaea. Science, 8 Jan. 2010; 327(5962):167-170.
  • Mali P., Yang L., Esvelt K.M., Aach J., Guell M., DiCarlo J.E., Norville J.E., Church G.M. (2013). RNA-guided human genome engineering via Cas9. Science, 15 Feb. 2013; 339(6121):823-826.
  • Nicol D, Eckstein L, Morrison M, Sherkow JS, Otlowski M, Whitton T, Bubela T, Burdon KP, Chalmers D, Chan S, Charlesworth J, Critchley C, Crossley M, de Lacey S, Dickinson JL, Hewitt AW, Kamens J, Kato K, Kleiderman E, Kodama S, Liddicoat J, Mackey DA, Newson AJ, Nielsen J, Wagner JK, McWhirter RE. (2017). Key challenges in bringing CRISPR-mediated somatic cell therapy into the clinic. Genome Medicine. 2017; 9:85.
  • Rodriguez E. (2016). Ethical Issues in Genome Editing using Crispr/Cas9 System. Journal of Clinical Research & Bioethics. March 24, 2016; 7:2
  • Shalem O., Sanjana N.E., Hartenian E., Shi X., Scott D.A., Mikkelsen T.S., Heckl D., Ebert B.L., Root D.E., Doench J.G., Zhang F. (2014). Genome-scale CRISPR-Cas9 knockout screening in human cells. Science, 3 Jan. 2014; 343(6166):84-87
  • Sheron Begley. (2017). First Human Embryos Edited in the U.S., Scientists Say. Scientific American, 27 July 2017.
  • Yang W, Tu Z, Sun Q, Li XJ. (2017). CRISPR/Cas9: Implications for Modeling and Therapy of Neurodegenerative Diseases. Frontier Molecular Neuroscience. 28 Apr. 2016; 9:30.
文章難易度
Research Portal(科技政策觀點)_96
10 篇文章 ・ 4 位粉絲
Research Portal(科技政策觀點)為科技政策研究與資訊中心(STPI)以重要議題導向分析全球科技政策與科技發展趨勢,呈現研究觀點與產出精華。

0

4
2

文字

分享

0
4
2
霍亂也有自己的免疫系統?想要入侵人體,卻不想被感染!
寒波_96
・2022/05/19 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

由霍亂弧菌(Vibrio cholerae)引發的霍亂,是常見的人類傳染病。有意思的是,霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌,本身也會被病毒等異形入侵,有免疫的需求。

引起霍亂的霍亂弧菌。圖 / Wikimedia

在最近發表的論文中,霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法,不但能抵抗病毒,還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運?質體又是什麼呢?[參考資料 1, 2]

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥:細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣,都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外,細菌也常常配備額外的「質體(plasmid)」,它們是 DNA 圍成的圈圈,獨立於細菌的染色體之外,具有自己的遺傳訊息,會自己複製。

細菌的遺傳物質,除了自己的染色體外,時常還額外攜帶數量不一的質體。圖/Bacterial DNA – the role of plasmids 

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲,那麼對細菌來說,質體就是個占空間的東西,只會耗費宿主的資源,對細菌是最差的狀況。但是,質體上也有基因,如果那些基因具備抗藥性等作用,那質體便對細菌有利。換句話說,質體和細菌的關係並不一定,有可能是有利、有害,或是沒有利也沒有害,視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力,例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR,原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是,許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組,本身就位於質體上頭,令人懷疑其動機不單純。

比方說,A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR,那麼 A 質體的目的,到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵,或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢?不好說,不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR,還有一招是利用「Argonaute」蛋白質,啟動針對質體的排外機制;有時候兩者兼備,就是不給質體活路。[參考資料 3]

了解上述資訊,便能體會霍亂新研究的奧妙:質體無法生存的霍亂弧菌,既沒有 CRISPR,亦沒有 Argonaute,卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中,霍亂就是一款危害人類的傳染病,不過野生的霍亂弧菌有很多品系,除了 O1 和 O139 兩個亞型之外,大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行,目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor,也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系,細菌中一般都帶著質體,可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內,一開始倒是沒什麼阻礙,可是複製繁殖十代以後的細菌,卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設,霍亂第七次大流行的主角,可能比同類們多出些什麼,讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute,應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後,從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域,稱它們為 DdmABC 和 DdmDE(Ddm 為 DNA-defence module 縮寫),兩者各自都有排擠新質體的能力,一起合作效果更好。

霍亂弧菌有 2 個染色體(左、右),DdmABC 位於第一號染色體(左)的 VSP-II 區域(圖中寫成 VSP-2),DdmDE 位於 VPI-2 區域。圖/Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae

兩套手法獨立運作,就是不要讓質體留下!

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體,但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊,令質體無法繼續在細菌體內生存,尤其容易攻擊比較小的質體;這個攻擊過程中,應該有其他蛋白質參與,不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE,其基因周圍還有兩套免疫系統的基因:R/M 與 Zorya,它們的任務都是消滅入侵的噬菌體(感染細菌的病毒)。因此霍亂的染色體上,這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地,稱為防禦島(defence island)。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法,霍亂如果攜帶質體,不論質體自身大小,DdmABC 都會產生毒性;這使得質體數目較少的細菌,繁殖時產生競爭優勢,多代以後脫穎而出的霍亂,將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是,霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體,也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統,同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

霍亂弧菌中 DdmABC 與 DdmDE 為兩套獨立運作的免疫系統,DdmABC 能排除入侵的病毒和質體,DdmDE 會直接攻擊質體。圖/參考資料 2

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢?在資料庫中比對 DNA 序列,ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因,所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因,所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意;幾個新基因組合形成新功能,或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出,成為第七次大流行的主角。總之,它們都通過長期天擇競爭的考驗,贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利,若是通通不要,等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂,為什麼演化成這般樣貌,值得持續探索。

一隻細菌配備對付不同入侵者的多款免疫系統,一如一艘巡洋艦配備的多款防禦系統,不論敵人從陸地、海面、空中發射飛彈,或是從海底用魚雷攻擊,都有防守的應變手段。然而,再怎麼周詳的防禦設計,都有被突破的機會。圖/wiki

戒備森嚴,多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到,細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物,也配備多重免疫系統,抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說,它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制,以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法,能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌,又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統,精準識別目標並且攻擊,類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質,使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫,無差別切割入侵者的 R/M 系統,其各種限制酶(restriction enzyme),早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具,可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統,除了增加學術知識,也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥,不只能認識更多免疫與演化,也可能找到對付細菌的新招,還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

參考資料

  1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
  2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
  3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
172 篇文章 ・ 609 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

1

16
4

文字

分享

1
16
4
蠑螈可愛微笑底下隱藏著令人稱羨的再生能力——《竄改基因:改寫人類未來的 CRISPR 和基因編輯》
貓頭鷹出版社_96
・2022/04/04 ・1621字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

墨西哥鈍口螈是一種看了會令人開心的可愛生物,牠是蠑螈家族的兩棲動物,有著一張看似正在微笑的臉,即使我們知道這麼說是把牠擬人化了,但還是忍不住微笑回禮。

看起來總是在微笑的墨西哥鈍口螈。圖/Pexels

蠑螈可愛微笑背後的祕密

墨西哥鈍口螈的處境非常奇特,牠們是極危物種但在地球上的數量卻有幾百萬隻。這是因為野外幾乎已經完全沒有墨西哥鈍口螈,但人為飼養的數量非常多,其中一個原因是因為,牠們是模樣可愛又容易飼養的寵物。另一個原因則是牠們具備在人類眼中幾乎可謂奇蹟的再生能力,這使牠們成為廣受科學家歡迎的模式生物。

有超強再生能力的墨西哥鈍口螈。圖/Pixabay

如果人類失去了最小的腳趾、一部分耳垂,或少了一點鼻尖,這些部位就是永遠消失了。墨西哥鈍口螈就算失去了整條腿也不在乎,因為大約一個半月的時間,失去的部位就能重新生長回來,沒有任何一種哺乳類動物或鳥類具備這種能力。

為了滿足我們的好奇心,以及了解這種現象應用在提升醫療效用上的潛力,我們很想知道這些可愛的小生物如何施展這種奇技,以及人類是不是能改造牠們的能力,用來提升人類再生醫學的進展,因為人口老化的問題,這個領域正受到高度關注。

長久以來,人體有許多組織的演化速度跟不上我們現在的生活方式。醫學不會往讓人類肢體重新生長的方向前進,而是想辦法改善已經耗損的身體功能。

面對咯咯作響的膝蓋、疼痛難忍的髖關節、發炎的指節,我們希望在不用動手術的前提下,或許能靠著促進疲勞的組織(如老舊的軟骨和骨骼)恢復活力,進而改善這些身體部位的功能。也許,墨西哥鈍口螈的再生天賦值得我們借鏡。

面對難以忍受的疼痛,期望能靠手術外的方式恢復。圖/Pexels

透過基因編輯技術探究蠑螈再生的關鍵

同樣地,藉由基因編輯領域的新技術,科學家可以讓墨西哥鈍口螈這樣的實驗系統發揮最好的效用。透過這些技術,想要改變墨西哥鈍口螈的DNA,進而研究在再生過程中有哪些基因和程序扮演了重要角色,是一件很簡單的事。此外,墨西哥鈍口螈的卵體積很大,使得在墨西哥鈍口螈生命初始導入基因編輯試劑這件事變得非常容易。藉由這樣的方法,研究人員早已證明在他們選出的一群細胞裡,有個特別的基因,在墨西哥鈍口螈肢體重生長出新肌肉的過程中,扮演著至關重要的角色。

沒有人期待這些實驗結果在短期內就能讓人類肢體徹底再生,這條路上要面對的障礙極大,複雜性極高,各位讀者在有生之年,可能都看不到這件事成真。電影《蜘蛛人》裡的柯提斯·康納斯博士—也就是蜥蜴人—的狀況不在任何真實的治療願景內。

科學家已經利用基因改造的方法來探究墨西哥鈍口螈脊髓重生過程中,一些特定基因的重要性,希望最後可以藉此詳細了解牠們如何修復重要組織,以及在這樣的過程中,有哪些程序是人體所缺乏的,或者哪些程序在人體的運作方式有所不同。

利用這些知識和相似的基因改造技術,來改變脊髓損傷患者神經細胞及相關組織的行為和活動,是完全有可能實現的事。在人類的脊柱中,僅僅幾公釐的間隙,就有可能造成終身癱瘓和殘障。想要在未來幾十年內彌合這樣的間隙,並不是什麼荒謬的想望。

——本文摘自《竄改基因:改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》,2022 年 1 月,貓頭鷹出版社

所有討論 1
貓頭鷹出版社_96
47 篇文章 ・ 20 位粉絲
貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

0

4
6

文字

分享

0
4
6
基因改造的實例「友善蚊」,友善的對象是?——《竄改基因:改寫人類未來的 CRISPR 和基因編輯》
貓頭鷹出版社_96
・2022/04/03 ・1849字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

雖然,「友善蚊」聽起來可能像是《好餓的毛毛蟲》這本繪本的續作,但它其實是牛津昆蟲技術公司擁有的商標,代表一種經過基因改造的特殊蚊種,這種蚊子可以傳播引發登革熱、茲卡病和黃熱病的病原。

2002 年,牛津昆蟲技術公司培育出他們第一批友善蚊。這些接受基因改造的蚊子,體內含有一種自殺基因。自殺基因一旦啟動,就會干擾蚊子的細胞活動,造成蚊子死亡。這間公司很聰明,沒把這種經過基因改造的蚊子取名為「自殺蚊」之類的愚蠢稱號,銷售基因改造產品的公司最不需要做的事情,就是給自家產品取個嚇人的名字。

現在,這間公司在實驗室進行培育,生產數百萬隻經過基因改造的友善蚊。在許多爆發相關病媒蚊疾病的地點,這些蚊子已經被釋放到野外環境,例如在開曼群島上的一處特定地區,已經釋放了八百萬隻友善蚊。

友善蚊的自殺基因機制

這些大量釋放的友善蚊都是雄蚊,一旦可以自由飛翔,牠們就會做雄蚊總是會做的事:試著找雌蚊交配。假設交配成功,那麼友善蚊所有的後代都含有自殺基因。

自殺基因的表現會導致一種致命毒素在蚊子體內累積,造成友善蚊的後代在幼蟲期或蛹期階段就死亡。在開曼群島進行的試驗結果十分振奮人心,經過重複的野外釋放程序,在一個季度的時間內,研究人員偵測到的蚊卵數量減少了百分之八十八,體內攜帶病毒的蚊子數量則是減少了百分之六十二。

這些經過基因工程改造的小昆蟲之所以是一種相當好的技術解決方案,原因有很多,除了自殺基因以外,友善蚊還會把一種特定螢光蛋白質的譯碼基因傳給後代。在野外,研究人員可以利用螢光來辨認哪些蚊子繼承了友善蚊經過改造的遺傳物質。

經過重複的野外釋放,在一個季度內研究人員偵測到體內攜帶病毒的蚊子數量減少了百分之六十二。圖/Pixabay

經過基因改造,自殺基因已經安置在友善蚊的基因體裡,成為正向迴路的其中一部分。自殺基因一旦啟動,就會開始提升自身的表現量,意味著在蚊子體內,有毒物質很快就會累積到致命程度。

控制友善蚊體內的自殺基因啟動

這項技術最美妙的地方在於它解決了很基本的問題。如果自殺基因是致命的,為什麼雄蚊在長大成年,被釋放到野外毀了雌蚊想當媽媽的夢想之後才會死?這是因為,培育了數百萬隻雄蚊的牛津昆蟲技術公司,有辦法控制牠們的飲食。

研究人員在給雄蚊吃的食物裡添加了四環素這種抗生素,四環素會和自殺基因結合,造成自殺基因關閉。自然界並沒有四環素這種物質,所以雄蚊到了野外之後,自殺基因才會啟動,而體內原有的四環素足夠牠們活著找到雌蚊交配。

至於繼承了自殺基因的後代,因為食物中不含四環素,所以無法關閉牠們的自殺基因。於是,這些遺傳了致命基因的蚊子就會死亡。

是破壞生態還是環境友善?

這項技術還有許多值得欽佩的地方,廣效性化學殺蟲劑的使用可能因此減少。用化學藥劑來滅蚊,人類很難徹底找到每一處雌蚊喜愛的小型積水空間。但尋找雌蚊這件事對經過基因改造的雄蚊來說不是問題,一億年來的演化已經讓牠們成為尋找雌蚊的大師。

牛津昆蟲技術公司只針對一種蚊子進行基因改造,所以其他不是病媒蚊的蚊子不會受到影響,這種蚊子並不是開曼群島的本土生物,而是透過人類活動意外引入當地。

這是一項自限性技術,一旦釋放到野外的雄蚊和牠們的後代都死亡,自殺基因就會從族群裡消失,一切都是為了把對生態系的破壞程度降到最低。

為了把對生態系的破壞程度降到最低,擁有自殺基因的雄蚊和後代都死亡後,自殺基因就會從族群裡消失。圖/Pixabay

——本文摘自《竄改基因:改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》,2022 年 1 月,貓頭鷹出版社

貓頭鷹出版社_96
47 篇文章 ・ 20 位粉絲
貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。