CRISPR 即將改變世界的技術

基因編輯大革命讀後心得

by 陳 坤志

最近複習了一本好書,書名是基因編輯大革命, 作者之一Jennifer A. Doudna 因為 CRISPR 技術聲名大噪,2020年還成為諾貝爾獎得主,2015年書中預言CRISPR可能發光發熱的領域,例如以基因療法根治乙型地中海貧血,現今已成為事實。

後來Jennifer A. Doudna獲頒諾貝爾之後,有記者為他出了一本傳記書名為:破解基因碼的人。內容性質迥異於基因編輯大革命,破解基因碼的人主體架構是一本傳記,著重在CRISPR這項技術以及後來的專利戰過程當中的考古細節,對我而言可讀性反而不如基因編輯大革命。

跨物種的遺傳密碼:
何謂DNA

基因體是由去氧核醣核酸(DNA)的分子所組成,DNA當中僅有四種不同的結構單元,這些單元稱為核苷酸,也就是大家經常提到的DNA字母: ATCG。

這四個字母代表四個化學基,腺嘌苓(adenine),胸腺嘧啶(thymine),胞嘧啶(cytosine),鳥糞嘌苓(guanine),這些字母接成一條長長的單鏈,然後兩條聚在一起,形成我們熟知的DNA雙螺旋結構。

兩條DNA沿著中心軸彼此纏繞,螺旋外側是DNA分子上的磷酸和糖形成的骨架,四種鹼基在螺旋的內側,形成螺旋梯的一級級階梯。

透過每一級階梯的化學作用來維持兩股,就像一種分子膠。一股的A一定會跟另外一股的T配對,C跟G配對,就稱為鹼基對。

雙螺旋的精美結構揭示了遺傳的分子基礎,雙鍊結構跟結合的規則,讓每一股都成為另外一股的完美模板。

細胞複製前,DNA的兩股會被一個酵素打開,之後其他酵素依循相同的鹼基配對規則,為每一股打造新的配對股,如此就能產生一個原始雙螺旋的副本。分裂後的兩個細胞就能分配到一模一樣的DNA。

RNA是什麼?

細胞用一種跟DNA很接近的中介分子,核糖核酸(RNA),將DNA中的指令轉變成蛋白質,RNA是以DNA為模板,經過轉錄的過程形成的。組成RNA的四個字母當中有三個跟DNA相同,只有胸腺嘧啶換成了尿嘧啶(Uracil)。

此外RNA的骨架也比DNA多了一個氧原子,所以RNA稱為核糖核酸,而DNA稱為去氧核醣核酸。

RNA像信差一樣把DNA貯存的遺傳訊息從細胞核內帶到細胞核外,在那裏製造蛋白質。RNA上每三個字母對應一個胺基酸,而不同的氨基酸序列產生了不同的蛋白質。

基因解碼與基因編輯

幾十年來由於基因定序技術的出現,許多遺傳疾病背後的成因逐漸被理解,但問題來了,即使專家們明白某些遺傳疾病是因為哪一些基因編碼出了問題,若沒有編輯基因碼的能力,依然無法拯救患者的性命。

於是數十年來,出現各種基因編輯的方式,但是大致上成功率不高,而且常常所費不貲。利用同源重組原理開發出的I-Scel技術可謂跨出了一小步,之後的ZFN更進一步,有機會能夠以編輯鋅指蛋白的方式,每個蛋白片段可以辨識的3個DNA字母。之後TALEN技術以編輯TALE(似轉錄激活因子)的方式進步到每個片段可以辨識單個DNA字母,更加便利編輯。

TALLEN本來可能成為基因編輯的主力武器,但後來..CRISPR出現了。

發現CRISPR

CRISPR的全文是clustered regularly interspaced short palindromic repeat (群聚且有規律間隔的短回文重複序列),並不是本書作者首先發現。

一開始是在細菌中發現一些重複的DNA序列,但這些序列跟跟已知病毒的DNA序列完美匹配,也就是說病毒的DNA序列卻出現在細菌的基因體中。

細菌跟病毒之間的戰爭

這時候不得不岔開來講一下什麼是嗜菌體這種病毒,因為CRISPR就是細菌用來抵抗嗜菌體的武器。

嗜菌體是整個地球數量最多,分布最廣的生命體。一茶匙海水中的嗜菌體數量有紐約市居民的五倍,在地球每秒可造成一兆兆次感染。在海洋中每天約有40%的細菌死於嗜菌體感染。

嗜菌體這麼厲害,細菌怎麼沒有滅絕?

因為細菌也有抵禦之道,不然細菌早從地球上消失了。過去已知的方法有內切酶可以切掉病毒的DNA,也有辦法堵住嗜菌體進入細胞膜的孔洞,甚至還能夠在嗜菌體侵前自殺,犧牲小我以保全整個細菌菌落。

CRISPR則是後來證實的另外一種防禦方法,可謂細菌的後天免疫系統。它會把入侵的病毒DNA片段用CRISPR的形式存在自己的基因體中,具備辨識以及攻擊的功能,能夠迅速把已存檔的病毒DNA找出來並且切成碎片。

CRISPR技術讓人類基因編輯的能力大躍進

科學家發現細菌的CRISPR系統可以精準的鎖定並且切割特定的病毒DNA序列,很快地就聯想到是不是能用在別的地方?

首先要確定CRISPR是不是能夠改變鎖定的目標? 能否不侷限在病毒的DNA序列,而是我們可以任意地鎖定想要切割的序列?另外這個切割的功能是不是也能應用在病毒之外的基因體?

答案是以上皆可。

科學家發現CRISPR RNA +cas基因 + tracrRNA 組合成一種強大而且精準的分子剪刀,可以讓科學家有效率的鎖定想要切開的DNA序列,進而有機會達到基因編輯的目的。

基因體有一個特性,就是會自動嘗試修復被切開的部分。如果能在切開DNA的同時,提供一段經過編輯過後的DNA模板,那麼大部分情況下基因體就會就地取材,把這段模板拿來當修復的材料,替代被切掉的部分。

聰明的各位此時就會想到,這個系統能夠鎖定致病或者出錯的DNA序列,將其切開,放上健康的DNA序列,這個過程就是所謂的基因編輯

CRISPR基因編輯的應用

這個工具非常的強大,很難想像細菌用來抵抗病毒攻擊的RNA序列跟蛋白質,卻能應用在整個生物界,幾乎可以編輯所有生物的DNA。

而且這個工具在科學家的改良下,具備越來越多功能。比如說從切一個地方變成一次切割兩個地方,或者不切割,只是結合在基因體上調控基因體的功能等。

具備編輯基因的能力,表示我們有機會治療基因導致的疾病,這個月初分享的乙型地中海貧血 的基因療法,就是一個例子。 

CRISPR也可以用來製造人源化的動物,例如編輯豬的DNA將其人源化,目前已經有案例使用人源化豬隻的器官進行心臟跟腎臟的器官移植。這個技術漸漸成熟之後,需要器官移植的患者可望免去苦苦等待配對成功以及術後長期服用免疫抑制藥物的痛苦過程。

前面提到CRISPR幾乎可以編輯所有生物的DNA,這個工具非常強大,能做的事情甚至遠超過醫學的範疇。書中提到的例子很多,我簡單列舉一個: 哈佛大學有個團隊甚至想編輯現存的大象基因,重新製造猛瑪象基因,讓猛瑪象復活。

最後提一下基因驅動(Gene drive)

以往科學家會使用基因工程控制昆蟲族群,例如說把不育的雄性放到環境中,減少害蟲。但是這些昆蟲會被天擇消滅,所以必須要重複且大量的野放經過基因工程的昆蟲,而且成效有限。

CRISPR基因驅動的方法卻不一樣,若把CRISPR基因和自私基因(作者應該是指CRISPR人工建造歸巢核酸內切酶)加進去基因編輯的序列中,這個基因會自動複製到新的染色體中,使它族群中呈現指數型增長。

利用這個技術科學家可以讓瘧蚊失去傳播瘧疾的能力,書中提到有一個英國團隊使用基因驅動方式把不孕基因放在瘧蚊上,成功的散布雌性不孕基因。也就是說用這個技術甚至有機會讓瘧蚊從地球上消失。

但基因驅動這個概念可謂細思極恐,除了蚊子之外,基因驅動難保不會用在其他生物上,且其影響層面是全球性的,使用這項工具的人未必經過深思熟慮,甚至未必心懷好意。

結論

無論我們準備好與否,CRISPR問世後讓基因編輯的發展速度大躍進,以往基因工程學家作夢都想不到的基因編輯,現在可能在自家廚房就能輕易做到。

這麼強大的工具肯定會改變整個世界,起碼改變有生命的世界。希望我們能讓世界變得更好,而不是更糟。

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