醫學

基因剪輯魔術師CRISPR

這種可以快速剪輯基因的技術,能對抗頑強疾病,可以拯救世人,但也可能帶來災難!

撰文/諾克斯(Margaret Knox)
翻譯/涂可欣

醫學

基因剪輯魔術師CRISPR

這種可以快速剪輯基因的技術,能對抗頑強疾病,可以拯救世人,但也可能帶來災難!

撰文/諾克斯(Margaret Knox)
翻譯/涂可欣

重點提要
■自從1970年代開始,科學家就知道如何改變生物的基因組,然而,他們當時可以使用的工具並不夠精準,因此規模難以擴大,使得許多實驗難度太高,或是過於昂貴而無法進行。
■現在有個根據細菌免疫防衛機制發展出來的新方法,稱為CRISPR,有機會可帶動基因組剪輯的革命。與以往的技術相比,這個方法快速、便宜又容易,資金立刻湧入那些欲發展CRISPR商業化應用的公司。
■研究人員已經開始探索以CRISPR為基礎技術的疾病療法,包括愛滋病和思覺失調症。由於用CRISPR來改變生物基因組的難度很低,因此倫理學家擔心,過度或不當使用,將會造成一些負面效應。

1970年代,當柏格(Paul Berg)把來自噬菌體(專以細菌為宿主的病毒)的DNA剪接到猴子病毒上,科恩(Stanley N. Cohen)和包以爾(Herbert W. Boyer)培育出帶有外來基因且能代代維持活性的生物後,正式掀開了遺傳工程時代的序幕。到了1970年代末,包以爾成立的基因科技公司(Genentech)已開始利用含有合成人類基因的大腸桿菌來生產糖尿病患所需的胰島素。而全美各地的實驗室,研究人員也使用基因轉殖小鼠來研究疾病。

這些成就改變了現代醫學的進程。然而早期方法有兩大限制:它們不夠精準,而且難以擴大規模。研究人員在1990年代克服了第一個限制,他們設計了多種蛋白質,可針對DNA上的特定位置做剪接,相較於過去只能讓DNA隨機插入細胞,然後希望出現一個有用的突變,這是一大進展。不過科學家仍得為每段目標DNA序列設計新的蛋白質,這是緩慢又辛苦的工作。

兩年前,瑞典于梅奧大學的夏本惕爾(Emmanuelle Charpentier)和美國加州大學柏克萊分校的杜德納(Jennifer Doudna)組成研究團隊,發現細胞內有一種遺傳機制,可讓科學家輕鬆又快速剪接基因組。沒多久,美國哈佛大學和麻省理工學院的科學家就展示了一種新技術,能一次且精準多重改變細胞基因組。

這個進展加速了基因改造領域的步伐,必定會對遺傳學和醫學帶來莫大的益處。科學家現在只需幾個星期就能完成訂做的基因轉殖實驗動物,節省了一年的工作時間。研究人員能利用這項技術來探尋愛滋病、阿茲海默症和思覺失調症的治療方法。由於它讓改造生物基因變得容易又便宜,有些倫理學家已預見可能的負面後果。

這項技術主要是利用「群聚且有規律間隔的短回文重複序列」(clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats, CRISPR),它相當於基因的「嫌犯照」,細菌用它來「記得」曾經攻擊過自己的病毒。自從日本研究人員在1980年代末發現這些奇怪的遺傳序列後,科學家一直在研究它們,但利用CRISPR做為基因剪輯工具的可能性,卻到了杜德納和夏本惕爾團隊發現如何利用一個稱為Cas9的酵素之後,才變得明朗。

杜德納和夏本惕爾是在2011年於波多黎各舉辦的一場科學會議上認識的,兩人有很多共同點:他們的團隊都研究細菌如何防衛病毒侵犯,他們的研究都證實細菌能記得過去入侵病毒的DNA,並在敵人再犯時認出它們。

會議結束後不久,杜德納和夏本惕爾便決定合作。夏本惕爾在于梅奧大學的實驗室負責探究Cas9,這種酵素是鏈球菌的「刺刀」,用來砍斷想穿透它們細胞壁的病毒;杜德納在柏克萊的實驗室則著手了解Cas9的作用機制。

就像許多科學發現都有命運之手的操弄,在夏本惕爾實驗室工作的奇林斯基(Krzysztof Chylinski)和杜德納實驗室的吉內克(Martin Jinek)從小在相鄰城鎮長大,會說同一種波蘭方言。杜德納說:「他們用Skype聯繫,兩個人一拍即合,於是開始分享數據,討論對實驗的想法,這個計畫就從那裡起飛。」

兩個實驗室的科學家都意識到,Cas9可能對基因組剪輯有用。這類遺傳工程利用稱為核酸?的酵素做為分子剪刀,它們會在雙股螺旋DNA的特定位置上切出缺口,接著細胞會修補斷裂處,有時在過程中會把科學家放入細胞核的新遺傳物質併入基因組。當杜德納和夏本惕爾開始合作時,要破壞或改變一個基因,當時最先進的方法是訂做能找到和切斷目標DNA的酵素,換句話說,每次改造基因時,科學家就必須設計針對特定DNA序列的新酵素。

但杜德納和夏本惕爾知道鏈球菌用於免疫防衛的Cas9,會使用RNA來引導它們找到DNA目標,在偵測目標時,Cas9-RNA複合分子會看似隨機在DNA上跳動,直到它發現正確的位置,而那些跳動其實是Cas9酵素在搜尋相同的短小「信號」DNA序列。Cas9會黏附到這段序列上,然後查探鄰近DNA是否和嚮導RNA吻合,只有在RNA與DNA吻合時,Cas9才會剪斷DNA。倘若能利用自然的RNA引導系統,研究人員就無需為每個基因組目標序列設計新酵素。基因剪輯將變得簡單、便宜又有效率多了。

一起研究Cas9幾個月後,這個跨越大西洋的合作團隊有了突破。杜德納對當時的情景歷歷在目,當時吉內克還是博士後研究員,在隔著綠蔭小山坡和希臘劇院遙遙相對的實驗室裡進行Cas9的實驗。有一天,他到辦公室和杜德納討論實驗結果,兩人思索著吉內克和奇林斯基曾談到的一個問題:在自然界裡,引導鏈球菌的Cas9找到入侵病毒雙股螺旋DNA上正確位置的是兩個RNA分子,而不是一個,他們能不能把兩個嚮導RNA分子簡化為單一人造RNA鏈、卻不損害它的引導能力?如果僅需修改一條RNA序列,將可大幅加快基因工程的速度,有了他們精密的編碼方法,合成一個RNA嚮導分子,可要比量身訂做酵素結合分子容易。

杜德納說:「這是個當你看到數據、腦中有些東西突然豁然開朗的時刻,我們意識到可以把那些RNA分子合併成為單一的嚮導分子。一個蛋白質和一個導引分子將是非常強而有用的工具,我感到毛骨悚然,想著『天啊!快跑到實驗室,別慢慢走了,如果這方法行得通......』」

結果這方法真的可行,而且影響遠超過杜德納的想像。2012年8月17日,當杜德納和夏本惕爾發表他們CRISPR-Cas9的結果時,該領域的科學家立刻意識到它顛覆現狀的潛力,於是展開一場全球競賽,測試各種應用。