〈研之有物〉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 2019-04-27 12:00
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。
「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。
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
1987 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 (Repeat) 會一直重複，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！
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。
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？不要錯過下一篇〈隨心所欲編輯人體基因的時代來了？專訪凌嘉鴻〉。
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