編輯基因的超級瑞士刀：CRISPR 技術──《基因編輯大革命》

在 2022 年裡，我們見證了低軌通訊衛星在戰爭中的作用、Omicron 肆虐與次世代疫苗、韋伯太空望遠鏡捕捉系外生命印記、銀河中心黑洞初次現身、人類精準回擊小行星、台灣 CAR-T 首例、特斯拉的平價人形機器人、與超強的 LaMDA 跟 ChatGPT AI 語言模型！

2023 年能更刺激嗎？有哪些值得我們關注的科學大事呢？

我們綜合整理了 Nature、Science、Scientific American、NewScientist、富比世雜誌、經濟學人雜誌，結合泛科學的觀察與期待程度，提出這份「2023 最值得關注十大科學事件」；今年的科學界將會熱鬧非凡，令人目不暇給！

No.10 病原體通緝名單

2022 年 11 月，法國科學家在 bioRxiv 上發表了從西伯利亞永凍土中復活的多種病毒；這些「殭屍病毒」中最古老的已經有 48500 歲，在溫度升高後，這些病毒都復甦了過來……。雖然這批古老病毒只能感染變形蟲，但也暗示著，冰層之下存在更多正在休眠、極可能對哺乳動物或人類造成危險的病毒。

隨著氣溫與海溫升高，這些不定時病毒炸彈正在醞釀著。

世界衛生組織將在今年發布修訂後的「重點病原體清單」，至少 300 位科學家嚴謹審查超過 25 個病毒與細菌家族的各種證據，針對目前還未知、但可能造成全球疫情的未知疾病 Disease X 做出預測，擬出一份優先名單。被列入名單的病原體通緝犯將會被重點研究調查，以利未來開發疫苗、治療與診斷技術。

No.9 新一代 mRNA 疫苗

乘著在 COVID-19 大流行間快速成熟的 mRNA 疫苗研發平台，許多疫苗正蓄勢待發。

BNT 在 2023 年初針對瘧疾、肺結核和生殖器皰疹的 mRNA 疫苗開始了首次人體實驗；也與輝瑞合作，研發能降低帶狀皰疹發病率的疫苗。另一家 mRNA 大廠莫德納，也在研發能預防生殖器皰疹和帶狀皰疹病毒疫苗。

除此之外，莫德納開發的黑色素瘤 mRNA 疫苗與默克的藥物合併療法，在去年底公布中期臨床試驗結果，顯示能降低 44% 的死亡率及復發風險，臨床試驗也將在 2023 年進入最後階段。

這些將在 2023 年揭曉的成果，將拓展人類使用 mRNA 疫苗對抗疾病的手段。

No.8 CRISPR 療法獲批准

由於之前的臨床試驗結果很不錯，CRISPR 基因編輯療法極有可能會在今年首次正式通過批准！

這種 exagamlogene autotemcel（exa-cel）療法，是由美國波士頓的 Vertex Pharmaceuticals 和英國劍橋的 CRISPR Therapeutics 公司共同開發。用超簡化的方式來説，治療方法就是先收集一個人自己的幹細胞，接著用 CRISPR-Cas9 編輯修正幹細胞中有缺陷的基因，最後再把這些細胞輸回人體。

Vertex 公司預計會在 3 月向美國 FDA 申請批准，讓 exa-cel 療法可以用於治療 β-地中海貧血或鐮狀細胞病的患者。

然而，隨著療法上市，相關的討論預期也將甚囂塵上……。

No.7 阿茲海默有藥醫

美國 FDA 將在年初宣布，Eisai 製藥公司和 Biogen 生技公司開發的 lecanemab，是否可以用來治療阿茲海默患者。

該藥物就像一台大腦專用的掃地機器人，為單克隆抗體，可以清除大腦中積累的 β 澱粉樣蛋白；在包含了 1785 名早期阿茲海默患者的臨床試驗中顯示，比起安慰劑，能減緩認知能力下降的速度約 27%。不過，有些科學家認為這效果只能說是還好，也有些擔心藥物不夠安全。

無獨有偶，另一款由美國的 Anavex Life Sciences 開發的阿茲海默藥物 blarcamesine，目前也正在臨床試驗階段；它能啟動一種可提高神經元穩定性及相互連接能力的蛋白質，就像是幫神經元升級了連線速度與品質，估計在今年會持續帶來新消息。

No.6 迷幻療法

2023 年，也極可能立下迷幻藥被用於醫療用途的里程碑。

多個相關臨床研究都進展到第三期，例如為 PTSD 創傷後症候群設計的新療法，結合了心理治療與 MDMA 亞甲二氧甲基苯丙胺，也就是所謂的搖頭丸，在臨床三期中，67% 的患者不再被診斷有 PTSD。

而來自迷幻蘑菇的裸蓋菇素，則被用來治療難治型憂鬱症，其臨床二期結果令人鼓舞。233 名難治型憂鬱症患者分成三組，在服用不同劑量裸蓋菇素後，每一組的憂鬱症量表分數都降低；而劑量最重的那組，其降幅最顯著。

最後是 K 他命，竟然成為對抗酒精使用障礙的療法！酒精使用障礙包括酗酒、酒精依賴、成癮等，86% 的臨床試驗病人，在接受新療法後六個月，持續戒除酒精。

然而，也有科學家警告這些樂觀訊息中有炒作成份，就讓我們持續關注吧！

看到這你可能會想，第六到十名怎麼都是跟醫療健康有關的大事件呢？別急！在下一篇中，我們接著介紹更精采的第五到第一名！

也歡迎大家跟我們分享，你知道的、即將在 2023 年發生的科學大事件！

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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

• 現代流行病學之父──約翰・斯諾誕辰│科學史上的今天：3/15
• 鼠疫桿菌至少 3800 年前，成為跳蚤騎士
• 推理要在實驗室：為什麼有些細菌會致病、有些不會呢？
• 當科技發展跑在世界前面，科學家該做什麼？基因編輯技術 CRISPR 共同發明人——珍妮佛．道納專訪
• 【2020 諾貝爾化學獎】基因剪刀 CRISPR：它如何改寫人類的生命密碼？

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。

一把有設計功能的瑞士刀

2014 年春天，我兒子安德魯正在念六年級，他的科學老師請我到他們班上向學生解釋 CRISPR。我對這份邀約深感榮幸，但是也相當緊張：

我要怎樣將基因編輯說給一群對 DNA 僅有基本認識的孩子聽呢？

當我向全班同學解釋，就 CRISPR 的核心功能來看，可以把它想成是一把兼具設計功能的分子剪刀，具有一段二十個字母的特定 DNA 序列，以及能夠切割雙螺旋兩股的能力。然而，科學家使用這種技術來進行基因編輯的結果，可是非常多樣的。基於這個原因，也許將 CRISPR 描述成一把瑞士刀會比剪刀更為貼切。

CRISPR 最簡單也最廣泛的一項應用，是切割一段特定基因，然後讓細胞以重新把 DNA 鏈連接的方式來修復損傷。這過程很容易出錯，會留下明顯的痕跡，在 CRISPR 切割位點的附近會發生一小段的 DNA 插入或缺失 (indel)。儘管科學家無法確切控制這種 CRISPR 應用中的 DNA 修復方式，但是他們明白這類基因編輯相當有用。

利用CRISPR進行同源重組

科學家需要一種能夠鎖定目標、編輯和修正單個 DNA 字母錯誤的方法。幸運的是，細胞有一種修復機制：同源重組 (homology-directed repair)，這種修復方式不會隨意連接任兩條毫不相關的 DNA 片段，而是專門連接序列相似的片段，比僅僅將破碎的 DNA 重新黏合在一起更為精確，掌控度也較高。

同源重組好比是攝影師以三張有部分重疊的照片，拼成一張全景照片的過程。為了要正確對齊，必須把中間照片的兩側區域，和兩邊照片的左側與右側區域正確疊好。若是全景照片的中間部分遭到切除或損壞，攝影師可以加洗一張中間照片，再依照相同的對應原則來重建全景。若是現實生活中的景觀發生變化，比方說，蓋了一座新的塔樓，或是有棵大樹倒了，攝影師也可以用相同的原則插入新照片，不斷更新這張全景圖。

事實證明，細胞中的酵素就是在進行類似的剪貼操作，只是這裡的全景圖是 DNA。之前談過的那種容易出錯的修復方式是發生在染色體斷開來的情況，這時細胞會隨便把末端連接起來，就像是攝影師在拼湊少了一小塊的全景圖那樣。但是當細胞面對的是一條斷掉的染色體，以及一段與染色體斷開後兩處末端相對應的 DNA，這時細胞會選擇比較好的修復方式，這段 DNA 相當於是修復用的模版，就好比是攝影師加洗的那張照片，細胞會讓兩末端序列完美重疊，將這段 DNA 黏貼到染色體的斷裂處。

這意味著研究人員可以使用 CRISPR 鎖定基因上發生有害突變的位置或附近區段，然後用一段新的健康 DNA 序列來取代，一勞永逸解決問題。只要研究人員利用 CRISPR，加上與斷裂基因區相對應的修復模版，細胞會很樂意抓住替換備品，用來修補損害。

刪除或翻轉一段DNA

研究人員除了用容易出錯的（非同源）或精確的（同源）修復方式來微調基因，也使用 CRISPR 來截掉一大段 DNA（缺失），或把一段 DNA 倒轉過來（倒位），讓他們能夠改變基因體中的一大塊區域。這種方法利用的是細胞的另一項特性，即細胞總是竭盡所能來維持染色體的完整性。將 Cas9 與兩種不同的嚮導 RNA 混合，研究人員可以設計 CRISPR 來切割一個染色體上兩個相鄰的基因；而細胞會用三種方式的其中之一，重新組裝染色體，繼續存活下去。

細胞這時要處理的斷裂 DNA 末端變成兩倍，第一個選項是全速進行末端連接修復，處理受損的末端，同時把所有斷裂處都黏合回去。然而，由於細胞中的分子會不斷任意運動，因此採行這種修復模式的機率非常低。要是兩個切點之間的 DNA 片段漂走了，細胞便會採用第二種選項，乾脆不理會遭切除的片段，直接把最兩頭的末端黏合起來。這種修復模式就跟昔日電影剪輯師從電影膠卷中刪除畫面的方式類似，他們直接在膠卷上剪兩刀（畫面的開頭和結束），扔掉不要的片段，再將新的兩端黏合起來。

第三種修復選項牽涉到把中間的 DNA 片段倒轉過來。在這種情況下，切割出來的 DNA 片段仍擠在附近，大致維持在原處，只是翻轉過來，原本的頭尾位置對調。促進末端連接修復的同一種酵素，只顧著把失落的片段重新接回去，不管那段 DNA 的方向到底對不對。

變成基因表現控制器

CRISPR 還有另一種應用方式，與基因編輯無關。這時，科學家利用的不是 CRISPR 切割 DNA 的能力，而是刻意破壞這項工具的性能。他們故意讓這把分子剪刀無法作用，把它變成遠端管理基因體的工具，CRISPR 不再去編輯 DNA、造成永久性的變動，而是改變 DNA 的解讀、轉譯和表現方式來達成目的。正如傀儡師以看不見的線來控制傀儡的動作和姿態，這種非切割型的 CRISPR 讓科學家能夠操縱細胞的行為及其產出。

對於這種操縱功能的基礎認識，實際上，早在我的實驗室進行 CRISPR-Cas9 的研究時便開始了。伊內克首次確認 Cas9 的生化功能時，明確展現出這個酵素中的哪些胺基酸能夠發揮化學作用，切割 DNA 雙螺旋的兩股。他以遺傳工程改變這些胺基酸後，創造出一種完全喪失切割 DNA 能力的 Cas9，但仍然可以與嚮導 RNA 交互作用，與相對應的 DNA 緊密結合。儘管催化的核心遭到破壞，去活化的 Cas9 仍然保留部分功能，可以在基因體中搜尋特定 DNA 序列並定位，只是不再能切割 DNA。

離我們實驗室不遠，從柏克萊畢業的齊磊 (Stanley Qi)博士，正在加州大學舊金山分校籌備自己的實驗室。他與同在舊金山分校的魏斯曼 (Jonathan Weissman) 和林行健 (Wendell Lim) 兩位教授合作，證明去活化的 CRISPR 可用於操縱基因體。這種去活化的 CRISPR，再也不能編輯 DNA，無法引入永久的遺傳變化，卻能讓科學家做出暫時的改變，這不會改變細胞的遺傳訊息，只是影響遺傳訊息的表現方式。最特別的是，他將 CRISPR 變成一種基因表現控制器，可以打開、關閉基因，或是增強、減弱基因的表現，就像能夠調節照明強度的調光器一樣。

本文摘自《基因編輯大革命：CRISPR如何改寫基因密碼、掌控演化、影響生命的未來》，遠見天下文化出版股份有限公司，2018 年 5 月出版。