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為何基因改造人類很母湯?實驗設計還不如研究生——賀建奎基因編輯嬰兒事件(上)

寒波_96
・2019/02/04 ・4108字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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後世的科學史家回顧公元 2018 年時,一定不會忽視 11 月底這件事:
「中國科學家賀建奎創造的基因改造人誕生」。

賀建奎是用 youtube 影片公佈結果,這種方式也值得記上一筆啊。圖/取自 超訊

賀建奎的作為公諸於世以後,震撼世界,從中國國內到國外,全世界的同行都在痛罵;為什麼呢?在此之前的爭議性研究,修改人類胚胎的 DNA 就已經夠令人非議的了;但賀建奎卻直接讓基因改造後的胚胎在母體受孕,懷胎後產下 2 位嬰兒。依據目前技術,辦到這件事的難度不大,卻由於各種自律與明文規範而受到阻止。

基改嬰兒誕生的情形,全世界一開始都不是很清楚,消息像擠牙膏般一點一滴流出,直至 2 個多月後的現在仍有不少疑問。不過隨著愈來愈多內情問世,大眾的創意都被賀建奎激發,從痛罵升級為花式痛罵;但同行們到底在罵什麼,賀建奎真的那麼罪大惡極嗎?

若你也有在關注,那你可能看過持續追蹤事件進展的博士生 北歐心科學,他對此事的觀點更是淺顯直白:「賀建奎的品格及科學能力都低下,是沽名釣譽的垃圾」。就讓我們來一起看看賀建奎到底做了什麼事吧。

https://www.facebook.com/NordicHearts/photos/a.1587022474873748/2214950322080957/?type=3&theater

讓基因被修改的生殖細胞受孕,母湯!

賀建奎改造人類的 DNA,為什麼讓科學家如此崩潰呢?因為他改造了生殖細胞的基因!

人體的細胞可以區分為體細胞 (somatic cell) 與生殖細胞 (germ cell) 兩種,「體細胞」像是血球、皮膚、腸道,即使基因改變也不會遺傳給後代,影響有限;「生殖細胞」則是卵、精,上頭的遺傳物質一旦改變就會遺傳給後代,加入人類族群的基因庫。

目前改變人類體細胞的 DNA 在研究上可以接受,臨床上更是某些病人的一線生機;但生殖細胞就有爭議了,若是讓改造後的生殖細胞受孕,繁衍成為人類,則是萬萬不可。胚胎的基因一旦被人為改變,此人不但將一輩子都帶著此遺傳變異,且這個人為的遺傳變異也將有機會代代傳承,造成長期的影響1

賀建奎在香港公佈改造人的基因定序結果,令人震驚的歷史時刻。圖/取自 北歐心科學

大部分同行都認為賀建奎的人類實驗相當拙劣,簡直是把真人當老鼠在玩,毫無責任感。然而,更要緊的並不是賀建奎的操作粗糙或精巧,而是像這篇文章標題所表述的:「不是會不會,而是該不該? (ask whether, not how)」,這件事情的關鍵在於,目前不論用任何方式製造基因被改造(或編輯)的小孩,都是不能接受的2

移除人體正常需求的免疫基因,就能免疫愛滋?

就算實驗做的再好,現階段創造基改嬰兒也是大錯特錯,何況賀建奎的實驗做的令人搖頭,想幫他找藉口都很難。他一系列實驗用簡單一句話就能說明:「毫無演化常識之下,對自然的拙劣模仿」。

賀建奎宣稱,之所以對人基因改造,目的是創造不會感染愛滋病的人。造成愛滋病的病原是人類免疫缺乏病毒(全名 human immunodeficiency virus,簡稱 HIV,本文之後直接稱作愛滋病毒),他認為:病毒要透過 CCR5 基因製造的蛋白質感染細胞,那麼就把這個基因直接消滅掉,不就不會感染愛滋病了嗎?他甚至稱其為「愛滋疫苗」。

好像很有道理……等等!這根本是以直線反推式的模式在思考。

 CCR5 其實還是人體正常需求的免疫基因,把一個完全健康的人,移除其中一個正常的基因,只為了預防未來可能會遇到的疾病?而且,還不見得真的能夠預防,這邏輯就像:為了避免腦殘,讓我們先把腦袋拔掉吧一樣。

正常的 CCR5 蛋白質是個穿膜的結構。更多資訊可以參考《基因編輯嬰兒 — 所以 CCR5 到底長怎樣?》

抵抗愛滋病的天然基因變異-CCR5-Δ32

CCR5 基因的蛋白質產物是細胞膜上的受器,有 352 個氨基酸,但有少部分的人沒這麼完整。過去研究發現,某些歐洲族群中有 10% 的人配備一個小眾的遺傳變異,稱作「CCR5-Δ32」(唸作 CCR5 delta 32),所以機率上該族群中有 1% 的人,2 個對偶基因都是 CCR5-Δ32,而這類型的人天生不容易感染愛滋病毒3

CCR5 基因如果出現 Δ32 變異,就會少掉中間 32 個鹼基對,使得蛋白質產物只剩下原本的一半,無法行使正常功能,達到阻止愛滋病毒感染的效果。若假如 2 個對偶基因中只有一個是 Δ32,另一個不是也沒效果,一定要 2 個都是 Δ32 才可以。目前已經有人利用此一原理,發展對抗愛滋病的基因療法。

然而,這是只考慮 CCR5 的狀況,有些款式的愛滋病毒即使沒有 CCR5,還可以利用另一個受器 CXCR4 入侵,也就是說,就算一個人的 CCR5 失去作用,也沒辦法 100% 對愛滋病免疫。(各位讀者覺得賀建奎是不知道,或是假裝忘記 CXCR4 呢?)

CRISPR 技術濫用,對自然拙劣的模仿

CCR5-Δ32 是天然存在的遺傳變異,賀建奎採取當今流行的 CRISPR-Cas9 改變基因序列,過程卻是「對自然拙劣的模仿」。CRISPR 基因改造技術,原理是人為設計一段序列,與基因組上的目標對應,導引 Cas9 蛋白質到達目標搞破壞,再讓細胞本身的修復機制把斷裂的 DNA 修理好4

可用於基因編輯的方法,CRISPR 是其中一種。這些方法都可以切斷基因組的雙股 DNA,再直接修復成跟本來不太一樣(左下),或是插入給予的外源 DNA 序列(右下),達到改變 DNA 序列的目的。圖/取自 ref 4

CRISPR 基改自從 2012 年底問世以來已經改版多次,現在已更加方便與精準,不過大致上仍可以分為兩種策略。一種是在 Cas9 作用的同時,也給予一段 DNA 序列,讓目標序列被切斷以後,將人為給予的片段塞進基因組,這種基因改造較為精準,但是比較困難,成功機率較低。

而比較容易,成功機率較高的作法,則是直接破壞目標;這也是賀建奎選擇的方案。他把 Cas9 攻擊的目標設計在 Δ32 的位置,希望能人為製造 CCR5-Δ32。坦白說,我認為賀建奎好像搞不太通原理,不知道這樣實驗設計的意義是什麼?

即使是按照賀建奎「沒有 CCR5 就不會感染愛滋病」的設定,也只要把 CCR5 基因直接消滅即可,他可以把 Cas9 攻擊的位置,設計在基因編碼序列的前端,或是啟動子 (promoter) 上,降低基改 CCR5 製造出殘廢蛋白質的機率;也可以把攻擊位置擺在基因外面兩端,直接用外加的 CCR5-Δ32 換掉原本的 CCR5

但是他的想法似乎是:天然存在的是 CCR5-Δ32,我就是要山寨一個一模一樣的出來!

圖中共有 5 個序列,最上面是一般的 CCR5,第二個是改版 CCR5-Δ32,兩者都是天然的存在。下面 3 個分別是賀建奎創造的 2 位基改嬰兒,露露與娜娜的基因。 圖/取自麻薩諸塞大學醫學院 Sean Ryder 的推特

實驗結果卻是失敗的。賀建奎選擇的方法,本來對序列的改造就不會那麼精準,而根據他自己公佈的結果(假如是真的),他創造了和 CCR5-Δ32 乍看很像,但是完全不一樣的多種突變。

正常的體染色體都是成雙成對,CCR5 基因在體染色體上,所以一個人應該會有 2 個 CCR5 基因。其中一位基因改造人露露,一個 CCR5 完全沒有改變,另一個對偶基因的中間少掉 15 個鹼基對,因此應該仍能製造蛋白質,只是中間少掉 5 個氨基酸。可以肯定,她的遺傳組合無法抵抗愛滋病毒,算是實驗失敗,然而,基因改造過但實驗失敗的胚胎,卻還是受孕並出生成為露露,一位真真實實的人類。

另一位基因改造人娜娜,他的 2 個 CCR5 都被改變,但改法卻不一樣。一個 CCR5 在中間少掉 4 個鹼基對,另一個卻多出 1 個,使得她不但沒有正常的 CCR5,還會製造 2 種新的突變蛋白質,影響未知。她可能對某些愛滋病毒免疫,但是如前所述,她仍無法抵抗所有愛滋病毒,還面臨著未知的遺傳風險。

現在回頭來看,「賀建奎的品格及科學能力都低下,是沽名釣譽的垃圾」指控是否名符其實呢?

賀建奎的紙老虎被戳穿後,報導就出現這種角度看起來比較陰險的照片。圖/取自 Nature 新聞〈First CRISPR babies: six questions that remain

如果你是科學家,知道這件事情的嚴重性,那你可能要比一般人更嚴厲譴責賀建奎的行為。引用《中國基因改造人,為什麼科學家應該堅決反對?》文中所說:

「社會大眾根本分不清楚什麼 DNA 還是基因改造,假如放任如賀建奎之流的野心家胡亂實驗,遲早要出大問題,到時候大眾對生物研究將充滿疑慮與恐懼,只會一概排斥與禁止,對科學發展造成很糟糕的影響」。

接下來讓我們來更仔細的了解什麼是 CRISPR ,以及繼續討論「改造基因預防愛滋,是否搞錯了些什麼? 」吧!

延伸閱讀

參考文獻

  1. An ‘epic scientific misadventure’: NIH head Francis Collins ponders fallout from CRISPR baby study
  2. Human genome editing: ask whether, not how
  3. HIV Resistant Mutation(本文作者雖然只是高中生,不過把 CCR5 基因與 AIDS 的關係整理的非常清楚)
  4. The CRISPR tool kit for genome editing and beyond(類似的回顧論文很多,隨便選一篇最近的)

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

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寒波_96
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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》。

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你知道基因改造,那知道「基因編輯」技術嗎?讓專家一次告訴你!
台灣科技媒體中心_96
・2022/06/29 ・3505字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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英國環境食品與鄉村事務部(DEFRA)於 2022 年提出的《基因技術(精準育種)法案》。
圖/envato

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。

英國開放精準育種技術,可能是提升糧食產量的重要策略。圖/envato

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。

精準育種可以大幅縮短育種時程、因應快速來臨的極端氣候。圖/envato

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。

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」。
圖/envato

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。

用人為方式改變生物基因的精準育種技術,仍有道德倫理上的疑慮。圖/envato

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。

與基因改造不同,精準育種的基因編輯技術,只會剔除、不會新增外來基因到農作物體內。圖/envato

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。

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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

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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。

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

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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

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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

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