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基因編輯的原理是什麼?一次看懂基因神剪CRISPR

2022-01-17 18:09時報出版 作者/中央研究院研之有物編輯群

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。但是我們真的...
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。但是我們真的需要基因編輯來治病嗎? 示意圖/ingimage
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、便宜地編輯DNA。但這把剪刀目前仍有技術瓶頸,只適合治療可拿出體外的免疫細胞。中央研究院生物化學研究所的凌嘉鴻助研究員與團隊,正致力鑽研這項正在翻轉世界的基因神器CRISPR。

▌為什麼需要基因編輯?

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。但是我們真的需要基因編輯來治病嗎?

由於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」運作便會失控,就有可能造成生理失調,甚至引致白血病等重大遺傳疾病。凌嘉鴻解釋:

「生病可以吃藥,但基因突變造成的疾病,單憑藥物只能控制病情。因為基因突變是從藍圖就錯了,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。因此必須先有一把精準、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。

現代的基因編輯技術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...
現代的基因編輯技術
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)。(資料來源:凌嘉鴻提供)
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

▌細菌裡的基因剪刀,快狠準摧毀病毒DNA

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會一直重複(Repeat),重複片段之間又有一樣長的間隔(Spacer)。因其功能不明,科學家便把這段序列叫做CRISPR(clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats)。後來科學家陸續發現,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。當時意想不到的是,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:當病毒入侵細菌後,會把自己的DNA注入細菌中,企圖霸占細菌工廠的資源以複製新病毒。但細菌也不會束手就擒,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。

經歷一場血戰後,倖存的細菌會挑選一段病毒的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序列快速辨識出這種病毒,並於第一時間反殺,提高存活率。

細菌的Cas9細菌遇到病毒入侵,細菌的Cas9會剪下病毒的一段DNA,插在自...
細菌的Cas9
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」。(資料來源:凌嘉鴻提供)
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

細菌如何認出病毒呢?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。接著,細菌體內的武裝警察──可以切割DNA的酵素(例如某些細菌裡的Cas9)──會抓著這段引導RNA(嫌犯資料),「盤查」新病毒的DNA,看看有沒有與引導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便會立刻剪開「被認出」的DNA片段,當DNA被剪斷摧毀後,病毒自然就沒戲唱了。這種細菌的免疫機制,統稱為CRISPR。

▌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,基因編輯的關鍵即是找到一把可以切開DNA、又不會隨便亂剪的分子級剪刀。而細菌的Cas9酵素憑藉一段引導RNA,就能精準「喀擦」掉鎖定的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,當想要剪下某段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,讓它剪下錯誤的基因。壞基因剪下來了,又該如何貼上好的基因?因為細胞天生能自動修補受損的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。

CRISPR如何工作 取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/...
CRISPR如何工作 取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供
CRISPR如何工作 取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/...
CRISPR如何工作 取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供
CRISPR如何工作 取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/...
CRISPR如何工作 取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

▌基因編輯技術大躍進

CRISPR不是第一把基因編輯剪刀。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、三個月重新設計與組裝全新的酵素,技術複雜、耗時又花錢。

直到2012年,科學家終於找到CRISPR這把神剪。它不像過去的酵素剪刀,每剪一種基因就得設計、組裝一把新的剪刀。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。若目標基因更換,即訂購一條RNA就好,不需要重新設計複雜的酵素,這讓技術和價格的門檻大大降低。

當CRISPR一問世,立刻鋪天蓋地被應用在細菌、真菌、動物、植物與人類醫學。與CRISPR相關的論文數量,2010年時還不到50篇,到了2015年已暴增到1,100篇。

▌基因編輯治療免疫疾病,潛力無窮

你或許會問:「既然CRISPR這麼好用,是不是可以終結所有的遺傳疾病?」可惜的是,這把剪刀目前仍有很多技術上的瓶頸,還不能直接把Cas9打進活體,必須把細胞取出再進行基因編輯較安全。例如:將免疫細胞取出以進行基因編輯,再放回體內。

「最重要的瓶頸之一,是這把細菌的基因剪刀用在人體的DNA,不是百分之百準確。」凌嘉鴻慎重提醒。

由於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,若低於這個數字,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。

「目前比較安全的做法,是先從病人體內取出細胞修改,確定沒問題之後,再放回體內。」凌嘉鴻說明。

基因編輯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...
基因編輯
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。(資料來源:凌嘉鴻提供)
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

不過,大部分的細胞和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以修改基因,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,將癌細胞找出摧毀。

近幾年,許多醫藥或癌症研究轉向CRISPR,像中國很早即開始將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,在體外進行基因編輯,之後放回體內分化成各種健康細胞。這些實證研究,都說明CRISPR擁有無窮的潛力,未來可望成為醫療重要助力。

※ 本文摘自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》。


《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》

作者:中央研究院研之有物編輯群

出版社:時報出版

出版日期:2021/12/21

圖/時報出版提供 《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》書封
圖/時報出版提供 《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》書封

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