基因編輯的原理是什麼？一次看懂基因神剪CRISPR

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。

▌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。

▌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。

「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。

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