操控基因的工具就在手邊：CRISPR基因編輯工具將帶來怎樣的未來？──《基因編輯大革命》

• 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《英國基因編輯技術 ( 精準育種 ) 法案 新聞稿》
• 資料更新至 2022 年 6 月 24 日，完整文章請見上方連結

英國環境食品與鄉村事務部（DEFRA）於今（2022）年 5 月 25 日提出的《基因技術（精準育種）法案》（Genetic Technology (Precision Breeding) Bill），6 月 15 日已過二讀討論，6 月 28 日將進入下一個審議階段。該法案針對精準育種的動植物，以及由這些動植物生產出的食品與飼料，提供開放銷售相關的風險評估。

台灣科技媒體中心邀請專家說明目前的研究與技術，4 位專家皆解釋精準育種技術更能縮短育種作物的時程，並指出該法案可供臺灣參考的面向。

法案修訂，提升糧食生產策略的重要性

臺灣大學生物科技研究所教授 兼 生物資源暨農學院副院長 劉嚞睿 表示，目前各國用基因編輯技術，做為基礎開發的新興精準育種技術產品，管理方式並不一致。所以目前國際上，是否以基因改造生物的規範來管理新興的精準育種技術產品，仍未達成共識，會影響新興精準育種技術產品的開發。

成功大學生物科技與產業科學系副教授 郭瑋君 指出，過去，美國對科技作物相對開放，而多年來歐盟強力反對。英國作為歐洲的三大強權之一，提出此修訂案，開放精準育種作物的產業研發及銷售，反應出此技術不再只是美國自身的國際貿易考量，而是提升未來糧食生產的重要策略。

郭瑋君認為，這對全球有顯著的指標作用，相信此舉也會帶動歐盟未來思量修改相關法案。但郭瑋君也指出，該法案所提的專一基因編輯，在臺灣的精準育種技術只在研究單位進行，以分析作物的基因功能為主，目前仍未發展於產業育種。

郭瑋君表示，精準育種技術可以直接修改植物的基因，因此最大的潛力是可以去除造成植物生長弱勢的基因，而提高生長能力及永續栽培方法的應用。她說，精準育種技術可以顯著縮短育種時程，從 10 年縮短到 1 年半，這在因應氣候變遷造成每年極端氣候，加快培育有抗性的作物品種，有極大的助益。

郭瑋君舉例，自精準育種技術於 2013 年成功改變植物基因後，2017 年美國食品藥物管理局（FDA）即已核準了精準育種可抗旱的大豆、増加含油量的亞麻，及不會變黑的蘑菇上市。

臺灣大學農藝學系副教授 蔡育彰 表示，英國提出修訂精準育種法案，是繼美國、澳洲、日本等國之後，將基因編輯作物與基因改造作物做出區別。

目前已訂定法規中允許的精準育種作物，主要是影響作物本身特定的基因表現。

蔡育彰認為，這種改變原本特定基因表現的作物，與現行一般育種方法所育成的作物相似，若再輔以目前成熟的全基因組定序分析技術，可完整的比對出精準育種作物與對照品種的基因組序列差異，後續相關安全性評估可與過去一般品種育成的流程相似。

臺灣海洋大學水產養殖學系副教授／前系主任 龔紘毅，同時也是執行科技部、農委會與多項產學合作的計畫主持人。龔紘毅指出，精準育種技術幫助我們減少對農藥及抗生素的依賴，減少對環境的影響並改善動物福利，增加動植物的營養價值，從而提高糧食系統的生產力、復原力及可持續性。

龔紘毅說明，臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」（Genome selection）與「基因體編輯技術」，前者需要有明顯不同性狀的族群樣品並選育物種，但相對也會投入很高的成本，較適合少數高產量與高經濟規模的物種。

龔紘毅表示，臺灣在農業基因體學和遺傳技術有豐沛的能量及基礎研究，可借鏡英國法規，制定輕度監管的方式，釋放研發及促進農業產業發展的能量，且制定符合台灣最大效益的規則。龔紘毅提到，日本專家及政府在制訂精準育種法規的前瞻性、推廣經驗與鼓勵新創，也值得臺灣加以借鏡學習。

他指出，日本與臺灣均為水產消費大國，日本雖然在基因改造生物（GMO）法規上嚴格管理，但學界與政府認為基因編輯技術在精準育種具有龐大的發展潛力，因此在基因編輯法規超前部署，制定明確且兼顧產業發展與生物安全的法規制度。同時在科學教育及注重新興技術與民眾溝通、宣導和知的權利。

精準育種，相對縮短培育時程

劉嚞睿說明，依臺灣「食品安全衛生管理法」定義，基因改造是指使用基因工程或分子生物技術，將遺傳物質轉移或轉殖到活細胞或生物體，產生基因重組現象。基因改造技術食品含有外源基因，對人體健康與環境生態可能有影響。

不過他舉例，三種基因編輯技術中，其中兩種技術的衍生產品，不含有外源基因。所以除了歐盟仍以基因改造生物的規範進行管理以外，大多數國家認定風險與安全性應與傳統育種無異，故認為不屬於基因改造產品。

劉嚞睿指出，基因編輯技術可在不含外源基因的情況下，精準快速的改變生物體內特定的基因序列，大幅縮短育種時間，帶動新興精準育種技術的發展。但此精準育種技術，透過人為的操控物種基因體，甚至影響物種的基因多樣性，仍引起諸多道德倫理與社會價值的矛盾與衝突。

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。

郭瑋君指出，基因改造主要技術核心是，永久放置「非植物」的基因片段於農作物體內，如抗病或抗蟲或抗農藥基因，可能來源是昆蟲或細菌，以提高基因改造作物的產量。因此這些外來基因在作物內會產生外來的蛋白質，可能栽種時造成其它生物如昆蟲的生長或演化上的變異，在食用時可能成為人類食物的過敏源。

郭瑋君解釋，精準育種技術是直接去除或變異「植物」本身的基因片段，最終的育種作物不會有外來的基因或蛋白質。

龔紘毅解釋，精準育種中的基因編輯技術，讓科學家能幫助農民和生產者開發出有益處的植物和動物品種，這些也能通過傳統育種和自然過程發生，但基因編輯可以更有效和更精準的大幅縮短選育新品種所需的時間。

台灣科技媒體中心表示，目前英國的精準育種技術仍屬於基因改造生物（GMO）法規的監管下，若此法案通過，將有利於精準育種技術與產業發展，但是，使用精準育種技術的作物是否納入或獨立於「基改作物」的法規規範，仍待持續關注與討論。雖然英國、紐西蘭、澳洲等都有專家長年持續的討論基因改造作物與基因編輯作物的技術，但在臺灣仍十分缺少對此科學議題的專業看法與討論。

台灣科技媒體中心總結，透過科學家說明目前的研究與技術，能幫助在科學技術被誤解之前，提供正確的資訊以利討論。雖然這次是在英國提出的精準育種法案，但未來臺灣若有相關發展，也可以做為參考的資料。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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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。

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。

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。

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。

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。