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人體基因編輯是在編什麼?五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR

研之有物│中央研究院_96
・2019/04/24 ・3260字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 605 ・十年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐宇甜    美術編輯|林洵安

CRISPR 的原理與應用

2018 年 11 月,中國基因編輯寶寶引起舉世譁然!這個事件的前因,要追溯到 2012 年橫空出世的基因剪刀 CRISPR,讓人類從此可精準、快速、便宜的編輯 DNA。但這把剪刀目前還有技術瓶頸,只適合治療可拿出體外的免疫細胞。我們邀請中研院生物化學研究所、專研 CRISPR 的凌嘉鴻助研究員,介紹這項正在翻轉世界的基因神器。

編輯人體基因,就是修改人體 DNA,主要動機是根治基因突變引發的疾病。

「但是瑞凡,我們真的需要基因編輯來治病嗎?」

事情是這樣的:DNA 是生命的藍圖,指揮細胞生產蛋白質,維持人體的生長與運作。當 DNA 的重要位置發生突變,「細胞工廠」運作會失控,就可能造成生理失調,甚至像白血病等重大遺傳疾病。

「生病了,可以吃藥。但基因突變造成的疾病,藥物只能控制病情。」凌嘉鴻繼續解釋:「因為從藍圖就錯了,細胞永遠只能製造錯誤的蛋白質。想要根治,最好直接更正藍圖,修改 DNA。」

基因編輯,可以從源頭下手,找到錯誤的 DNA 片段,用一把分子「剪刀」切開,剔除這個錯誤的基因,或是在缺口處「貼上」正確的 DNA 片段。

過去基因突變引發的疾病,藥物無法根治,必須終身吃藥。現代的基因編輯技術,可以徹底根治基因缺陷,就像用文書軟體修改錯誤一樣:找到錯字 (發現突變基因)、刪除錯字 (剪下突變基因)、補上正確的字 (貼上正確基因)。
圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

所以首先,必須要有一把精準、能夠剪開 DNA 雙螺旋的好剪刀,CRISPR 就是當前最好用的一把。有趣的是,它來自細菌的免疫系統。

細菌裡的基因剪刀

987 年,日本科學家在大腸桿菌的基因體發現一段古怪的規律序列,某一小段 DNA會一直重複(Repeat),重複片段之間又有一樣長的間隔 (Spacer),用途不明,科學家把這段序列叫做 CRISPR (clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats)。後來發現,許多細菌都有 CRISPR,它是細菌免疫系統的一種機制,可以記憶曾經來犯的病毒。

想不到,這個看似不起眼的 DNA 片段,將會引爆基因編輯的大狂潮!

故事是這麼開始的:當病毒入侵細菌,會把自己的 DNA 注入到細菌中,企圖霸佔細菌工廠的資源,複製新病毒。但細菌也不會乖乖挨打,它們的免疫系統可以辨識、摧毀病毒的 DNA。這是一場微觀世界的閃電戰,細菌的反擊必須夠快、夠準,才有機會存活!

有些細菌僥倖存活後,會挑選一段病毒的 DNA 碎片,插入自己的 CRISPR 序列 (增加一段 Spacer),就像為病毒建立「罪犯資料庫」。當病毒第二次入侵,細菌就能依靠 CRISPR 序列快速認出這種病毒,第一時間反殺,提高存活率。

細菌遇到病毒入侵,細菌的 Cas9 會剪下病毒的一段 DNA,插在自己的基因組上,就好像為病毒建立「罪犯資料庫」。
圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

細菌是如何認出病毒的呢?首先,細菌會用舊病毒的 DNA 片段 (Spacer) 當模板,打造一條互補的引導 RNA,例如病毒 DNA 的鹼基是 T、RNA 是 A,DNA 是 G、RNA 是 C,或是互相顛倒。引導 RNA 再利用這種互補關係,比對新病毒 DNA 片段,如果可以互補,表示新舊病毒相同。

然後,一種可以切割 DNA 的酵素 Cas9 (武裝警察),會抓著這段引導 RNA (嫌犯資料),前去「盤查」新病毒的 DNA,看看有沒有跟引導 RNA 互補的段落。這一次反過來,RNA 是 A,DNA 是 T;RNA 是 C,DNA 是 G,或是互相顛倒。

一旦找到了,Cas9 立刻剪開「被認出」的 DNA 片段。DNA 被剪斷摧毀,病毒就沒戲唱了。這種細菌的免疫機制,稱為 CRISPR-Cas9。

基因神剪 CRISPR

這麼基礎的細菌免疫學,跟基因編輯有什麼關係呢?想想,基因編輯的關鍵是:找到一把可以切開 DNA,又不會隨便亂剪的分子級剪刀。細菌的 Cas9 酵素,憑著一段引導 RNA,就能精準「喀擦」鎖定的 DNA 片段。好剪刀,不用嗎?

實務上的操作方法很簡單:先將 Cas9 做好、放入冰箱,想要剪某段 DNA,就訂做一條互補的引導 RNA。然後將 Cas9 解凍、與引導 RNA 結合,再用電擊的方式進入細胞,讓它去剪下錯誤的基因。

壞基因剪下來了,怎麼貼上好的基因?因為細胞天生會自動修補受損的 DNA,只要把正確的基因送進細胞核,就有機會被細胞拿來修補 Cas9 剪下的斷口,完成基因編輯!

圖說設計│黃曉君、林洵安

基因編輯技術大躍進

CRISPR 不是第一把基因剪刀。早在 1990 年代,科學家就開發了許多種能「剪開」DNA 的酵素。每種酵素有自己的特殊結構,只能跟特定的 DNA 片段結合,藉此精準切割目標基因。只不過,如果研究者想剪開另一段 DNA,即使序列只有一點點差異,也要花費兩三個月重新設計、組裝全新的酵素,技術複雜、耗時又花錢。

直到 2012 年,科學家找到 CRISPR 這把神剪!它不像過去的酵素剪刀:剪一種基因,設計組裝一把酵素剪刀。CRISPR 從頭到尾只用一把萬能酵素剪刀 Cas9,加上一條引導 RNA,就能切割所有的 DNA。目標基因換了,訂購一條 RNA 就好,不需要重新設計複雜的酵素,技術和價格門檻都非常低。

所以 CRISPR 一問世,立刻鋪天蓋地應用在細菌、真菌、動物、植物、人類醫學。2010 年 有關 CRISPR 的論文不到 50 篇,到了 2015 年,已暴增到 1100 篇。

基因編輯治療免疫疾病

「既然 CRISPR 這麼好用,是不是可以終結所有的遺傳疾病了?」可惜的是,這把剪刀還有很多技術上的瓶頸, 還不適合直接治療人體細胞。

「最重要的瓶頸之一:這把細菌的基因剪刀用在人體的 DNA,不是百分百準確。」凌嘉鴻慎重提醒。

Cas9 能辨認的序列是 23 個鹼基,但人體 DNA 鹼基序列有 65 億個,Cas9 想要找到正確的序列,宛如大海撈針!

以統計學方法來算,要從 65 億個鹼基序列裡找到一條獨一無二的序列,長度至少要 28 個,低於這個數字,找到的可能只是相似的序列,因此 Cas9 無法保證統統剪對位置。當 Cas9 切錯位置,可能造成難以想像的副作用。

「目前比較安全的作法,是先從病人體內取出細胞修改,確定沒問題再放回體內。」凌嘉鴻說。不過,大部分細胞、組織都不可能任意取出,只有隨時懸浮在血液中的免疫細胞,抽血就能取得。 如果有人免疫細胞先天不足,可以先把它們取出體外,修改基因,例如把 T 細胞取出來,「教會」它們癌細胞長什麼樣子,再把「變聰明」的 T 細胞放回體內,找出癌細胞進行摧毀。

目前基因編輯還不適合直接編輯人體內的細胞,比較安全的做法是把細胞拿出,在體外編輯,例如:修正免疫細胞的基因,治療免疫疾病。
圖說設計│黃曉君、林洵安 圖片來源│凌嘉鴻

最近幾年,很多醫藥或癌症研究都轉向 CRISPR,像中國很早就開始將 CRISPR 搭配免疫療法,美國、歐洲也漸漸跟上。 CRISPR 還可用在幹細胞,先從病人身體取出幹細胞,先在體外進行基因編輯,再放回體內分化成各種健康細胞,更是潛力無窮!

想知道基因編輯寶寶現階段為什麼母湯?CRISPR 還要克服哪些技術難題,才能安全的編輯人體基因?到了那一天,人體基因編輯的界線又該劃在哪裡?請看下一篇專訪

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為人體基因編輯是在編什麼?五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR,泛科學為宣傳推廣執行單位

文章難易度
研之有物│中央研究院_96
220 篇文章 ・ 1427 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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「血液病理診斷」導入 AI 應用,輔助醫師快速精準判讀、減輕負荷量

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/01/17 ・2491字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣諾華 協助刊登,審定編號 TW2201057472。

  • 作者/許君咏

我們想讓你知道:

被喻為困難診斷疾病的骨髓增生性腫瘤,難在哪裡?由於「病理切片判讀」很難找出「兇手」,因此,林口長庚醫院與台灣諾華及雲象科技合作,將 AI 運用於血液病理診斷,有望幫助醫生進行快狠準的判讀,可以減少經驗多寡限制,以及減輕醫生的判讀的負荷量,更重要的是,為病患做出正確的診斷,幫助及早進行治療。

在血液癌症的診斷中,病理切片是必要條件之一,例如骨髓增生性腫瘤(myeloproliferative neoplasm,簡稱 MPN),因為種類繁多,臨床症狀、病理變化及突變特徵重疊性高,過去需仰賴經驗豐富的臨床血液科及血液病理科醫師人工鑑定,然而對抗血液腫瘤就如同與時間賽跑,若無法立即提供判讀結果,延誤了治療時機,將影響病患存活率。

「骨髓增生性腫瘤」到底是什麼?

骨髓增生性腫瘤(MPN),以前稱為骨髓增生性疾病,是一組以一個或多個血細胞(白細胞,紅細胞,血小板和/或纖維細胞)過量產生為特徵的疾病。

首先,骨髓是人類的造血器官,它的重要功能就是產生造血幹細胞,之後這些造血幹細胞透過分化再生成不同的血細胞,例如紅血球、血小板、顆粒球、單核球等。而骨髓增生性腫瘤是一組罕見的血液癌症,會導致骨髓中產生過多的紅血球、白血球、血小板,根據 2016 世界衛生組織的分類,這組疾病中較常見有四類,各有不同的預後及治療方式,包括原發性血小板增多症(ET)、真性紅血球增多症(PV)、原發性骨髓纖維化(PMF),原發性骨髓纖維化又有兩種亞型:早期骨髓纖維化(pre PMF)及顯著骨髓纖維化(overt PMF)。

骨髓增生性腫瘤種類

至於確切的罹病原因目前並不清楚,科學家尚在研究中。林口長庚醫院血液科郭明宗醫師說:「骨髓增生性腫瘤臨床上常見有 3 種基因突變,分別是 JAK2V617,CALR,MPL。不論是後天的基因變異,或是環境因素等皆為可能致病因子,目前在臨床上面臨的最大挑戰不僅是治療,其實從診斷程序挑戰就已經開始。」

難如登天的「病理切片判讀」,究竟要如何找出「兇手」呢?

被喻為困難診斷疾病的骨髓性增生腫瘤,難在哪裡?

郭明宗醫師進一步說明,因骨髓性增生腫瘤屬於血液增生性疾病,和其他實體腫瘤不同的是,病患沒有明顯可觸及的腫塊,通常是因為出血、中風、脾腫大等併發症而求診,無法直接看出病因是什麼。這時醫生就像偵探一樣,必須從其他類似的症狀、血液檢查數值等尋找線索,列出可能的疾病名單,而最關鍵的證據除了基因變異之外就是「病理切片判讀」。因此, 2016 年世界衛生組織也將「骨髓切片」列為骨髓增生性腫瘤診斷的必要條件之一。

但最難的部分就在於「病理切片判讀」,林口長庚紀念醫院解剖病理部莊文郁副主任說:「骨髓切片主要是由血液病理次專科醫師進行判讀,而骨髓增生性腫瘤判讀的複雜度遠超乎一般人所能想像,病理醫師必須仔細評估各種造血細胞在顯微鏡下的數量及形態,特別是巨核細胞的形態特徵、數量及空間分布,才能得到精準的診斷。」

莊文郁主任實施病理切片判讀

也就是說,傳統的病理切片裡的血球型態與其他疾病極為相似,需由經驗豐富的醫生判讀,並進行診斷,然而人工判讀的缺點在於,難以取得客觀量化的數據,並且可能會有人為誤差。如前段提及骨髓增生性腫瘤有不同種類,預後和病程進展有極大差異,需要不同的治療策略。郭明宗醫師分享:「早期世界衛生組織尚未明確分類時為例,曾有 20% 的患者原先被診斷為原發性血小板增多症(ET),後續分類後重新診斷為早期骨髓纖維化(pre PMF)。」說明病理切片判讀在診斷上有一定的困難及複雜性。

病理切片耗人又講求經驗怎麼辦?AI 來幫忙!

莊文郁副主任說:「林口長庚每月有近萬個案例、高達上萬筆的病理玻片需要判讀,病理團隊每日皆須面臨龐大且急迫的病例,為了能及早且精準幫助病患確診,已全面將病理玻片數位化,為全台少數完成跨院區病理科數位化的醫療院所,可大大提升判讀方便性。」

這次合作跨界三方,結合不同優勢,林口長庚龐大的病理資料庫,雲象科技的 AI 技術,加上台灣諾華長期投入血液腫瘤研發治療的經驗,共同提升台灣血液腫瘤篩檢量能,幫助病患在進入急性期或惡化前獲得及時診斷及擬定適合的治療策略,延續病患生命並提升生活品質。

血液疾病的診斷與治療相當困難,然而因病患數不如其他器官癌症,故新技術如 AI 較不會第一時間應用在血液疾病上;不過,對血液疾病來說,以形態學為基礎的病理診斷扮演關鍵角色,而型形態辨識正是 AI 在醫療上能有最大發揮空間的面向。

這個概念就像是平常大家將合照上傳社群軟體,平台會透過自動人臉辨識系統,標記照片裡的朋友人名。運用 AI 進行深度學習,辨識骨髓玻片裡的細胞型態、特徵和空間分佈的情形,能夠提供量化且客觀的數據。

莊文郁副主任打趣地說,隨著時代與醫療的進步,AI 技術不僅可以認臉,也可以辨別極度困難與複雜的細胞了!

雲象科技骨髓切片判讀

而台灣諾華在癌症治療領域耕耘已久,諾華腫瘤(台灣)總經理陳喬松說:「身為全球製藥領導者,從第一代標靶治療到目前最新的細基因療法,建立了許多治療創新里程碑。」目前除了利用資料科學發展新興藥品外,諾華爲重新改善患者生活品質,並延長其存活期,亦發展大數據分析及 AI 技術,希冀幫助更多血液腫瘤病患及早診斷、治療,讓血液腫瘤的早期診斷向前邁出一大步。在 AI 的加持下,未來血液病理的發展,或許能夠和近年備受重視的分子和基因診斷攜手合作,更進一步加強疾病診斷與治療品質。

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