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＊本文與《基因啟示》合作刊出＊
（本篇照片皆由東臺傳播股份有限公司提供）

新冠疫情的爆發，大大改變人類的生活。在這場人類與病毒的攻防戰中，最關鍵的資訊莫過於病毒的「基因」了。在科技如此發達的現在，科學家掌握迅速分析基因的能力，更能夠進行基因編輯，改變物種的生命現象。只是，生物科技的發展，是否真能守住地球萬物的和平共存與生生不息？

這是即將在民視播出的《基因啟示—解碼與編輯》的緣起，節目架構以「基因」為主，科技為輔，探討小至個體、大至整個社會所衍伸出的各種因果。本節目更邀請知名脫口秀演員曾博恩擔任主持人。曾博恩畢業於巴黎第六大學（Université Paris VI）整合生物研究所，對基因啟示裡的科學內容十分了解。他將以幽默風趣的口吻，深入淺出的介紹基因的奧秘。

在節目的第二集，要談的是隨著遺傳密碼逐步被解開，科學家們也開始想像，人類有沒有可能自己「編碼」，改變動植物的基因？

孟德爾（Gregor Mendel）在1866 年出版了他的論文，「基因」這個劃時代的概念悄然出現；而百餘年的現在，人類在科學、醫學領域裡，追求基因相關研究的突破仍是頂尖科學家們心神嚮往的聖杯。DNA 結構的發現、重組DNA 技術的發明、複製和擴增基因等技術的出現、人類基因組計劃定序草圖完成……這些重要的里程碑推動著人類前進。在近年，CRISPR-Cas9 技術的發明，開啟了編輯基因體方法的重要篇章。這把能改寫生命密碼的「基因剪刀」是怎麼出現的？為世界帶來了什麼影響？又要將人類帶往哪裡呢？一切的一切，讓我們從小小的細菌開始說起。
 

改寫生命密碼的基因剪刀

1987 年，當時在大阪大學微生物病研究所的石野良純和中田篤男，在大腸桿菌（Escherichia coli）的基因體中發現了不尋常的重複序列；而後這個現象也在古細菌和其他細菌之中被觀察到，西班牙科學家莫吉卡（Francisco Mojica）將它命名為「常間回文重複序列叢集」（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins, CRISPR）。那時科學家們認為這是細菌免疫機制，讓細菌被噬菌體感染時能存活。儘管當時對於它的機制並不清楚，但認為應該與RNA 干擾（RNA interference）有關，而這正是美國化學與生物學家道納（Jennifer Doudna）的研究領域。

2011年道納與法國微生物學家夏彭提耶（Emmanuelle Charpentier）在波多黎各認識， 本來就有在做CRISPR 研究的夏彭提耶和道納合作，利用 Cas9蛋白會因為 crRNA（CRISPR-RNA）引導而切割外來DNA 的特性，加入tracrRNA（trans-activating crispr RNA），設計出只需要使用Cas9 和單一嚮導RNA（single guide RNA, sgRNA）就可以進行基因編輯的簡便工具。這個劃時代的研究於2012 年在《科學》（Science）上發表，而這正是中央研究院生物與化學所助研究員凌嘉鴻，進入道納實驗室做博士後研究的前一個月。那時的他因為想學蛋白質結構分析而進入道納的實驗室，以為會平平淡淡的度過實驗生活，卻意外的坐上了CRISPR-Cas9 這輛雲霄飛車。他在節目中回憶道：「我其實那時候就覺得整個實驗室就很像跟著Jennifer一同坐雲霄飛車，對，就一口氣就衝上去了，然後就是有高高低低、很多起伏、轉折。」
 

2012 年，被譽為上帝手術刀的基因編輯技術-CRISPR 終於誕生。
 

在CRISPR-Cas9 出現前的基因編輯工具，大多是利用「限制酶」來切割DNA 片段。長庚大學生物醫學系特聘教授兼系主任羅時成在節目中解釋，「因為它可以辨識這個噬菌體上面的特別序列並把它切斷，所以我們稱它為限制酶。這個限制酶後來也成為基因工程非常重要的一個工具。」限制酶延伸發明出許多基因編輯工具，包含能更精準剪切、利用鋅指蛋白（Zinc Finger Protein）結合限制酶FokI 延伸出的ZFN（zinc-finger nuclease），和同樣也是用FokI 來剪切，但相對來說更簡便的TALEN 技術。國家衛生研究院分子與基因醫學研究所副研究員江運金在第二集的《基因啟示》中提到，「ZFN主要分兩部分，前面的ZFN 是扮演DNA 辨識的角色，後面的核酸酶（nuclease）可以切DNA，所以就可以到一個特定的基因的位置裡面去剪接DNA。」但可惜的是，由於它的高成本與高複雜度，ZFN 在往後並沒有被廣泛使用，反而是與ZFN 原理相似的TALEN，因為設計的難度降低且辨識精準度提升，而成為當時基因編輯的主要工具。

羅時成教授在節目中表示，基因編輯的重大突破來自於尋找對抗噬菌體感染的細菌。
 

CRISPR-Cas9 為醫療領域帶來一陣春風

然而，就在CRISPR-Cas9 技術出現後，一切皆風雲變色。不同於限制酶在實驗設計上的諸多限制，CRISPR-Cas9 更為簡便，可以任意切割的特性，甚至能執行過往無法完成的實驗，開啟了無限可能。如同凌嘉鴻在《基因啟示》第二集中所說：「Jennifer也會自己開玩笑，就是說這東西太簡單了，所以很容易大家隨便就上手；不管它是做哪一種物種，做植物也好、做細菌、做酵母菌、做老鼠也好、老鼠細胞、其他物種各式各樣的，只要有DNA，只要有基因體，它都可以用。」方便的基因編輯工具不只讓育種研究變得簡單，在醫學領域，應用 CRISPRCas9的基因治療更為許多原本的「不治之症」帶來曙光。
 

「基因治療是全世界性的一個議題，那目前基因治療來講，已經不只是在實驗室裡面而已了，基因治療現在已經有不少已經成為非常有效的一個藥物。」臺灣大學醫學院小兒科暨基因醫學部教授胡務亮也在節目中表示，他認為基因治療最重要的意義，因為對於一些遺傳疾病，基因治療機會是病人唯一的希望。臺北榮民總醫院醫學研究部教授邱士華和他的研究團隊，便將 CRISPR-Cas9 技術應用在好發於青少年的「先天性視網膜裂損症（X-linked juvenile retinoschisis, XLRS）」，將遺傳物質包裹進奈米載體裡並送入眼睛，達到治療的效果；而目前研究已經完成動物試驗。

邱士華教授將放入CRISPR-Cas9 的奈米載體送入小鼠眼睛，進行基因治療修復。

除了遺傳疾病之外，癌症也是另一個重要的應用方向。「所謂的癌症，大部分都是我們成體的體細胞裡面，一些零星的致癌基因所累積的突變。」臺大醫學院基因體暨蛋白體醫學研究所副教授陳佑宗解釋，「也是因為現在有所謂的CRISPR-Cas9 技術，讓基因修改的效率、編修的效率變得比較高，所以讓我們有機會可以在成體的體細胞中進行基因編輯，進而去修正累積的基因突變，達到治療癌症的效果。」因此，陳佑宗研究團隊便藉由CRISPR-Cas 系統，製作不同的體細胞帶有不同的突變等位基因的模式小鼠，取名為ICE CRIM（inducible Cas9 effector/CRISPR mutagen）。另外，長庚大學新興病毒感染研究中心主任施信如和她的團隊，則是用CRISPRCas9系統製作能抑制病毒生長的抗病毒藥物，有望提供多元化的抗病毒藥物可以選擇，如此一來也可以減低病毒抗藥性的產生。

強大的能力與其伴隨而來的風險

但CRISPR 也不是萬能的，越強大的工具，也存在著對應的隱憂。無法控制的「脫靶效應」（off-target effects）是 CRISPR 技術無法被廣泛使用的關鍵阻礙之一。脫靶效應的種類很多，凌嘉鴻解釋，「大概有三種比較重要，有兩種我們可以歸類的所謂的『on-target』，on-target 就是代表它其實有到它該到的位點上，那另外一個是『off-target』。」其中off-target 是指在剪切時沒有切到目標，反而是跑到其他的基因體上，「假如說它剪到不該剪的地方，又是一個很重要的基因的話，它有可能把那個基因就破壞掉，那是off-target 的問題。」ontarget則是在剪完之後，在DNA 的修復過程中出現預期外的情況。脫靶效應這個難題廣泛存在於基因編輯技術，凌嘉鴻提醒：「當你可以去重新設計那把剪刀的時候，你就得擔心，既然這個剪刀這麼有彈性……那我把它放在一個很高度複雜的DNA 裡面的時候，它真的有辦法這麼精準嗎？」
 

在完全克服脫靶效應之前，基因編輯必然存在著一定的風險。難以預測的風險、加上未解的倫理爭議，讓學研領域大多有共識還不能執行理論上可行的「用基因編輯工具修飾人胚胎」。然而在2018 年11 月，中國科學家賀建奎聲稱為了讓胚胎在發育的過程中對愛滋病免疫，利用CRISPR 技術修改受精卵中的CCR5 基因，且被修改的胚胎的這對雙胞胎已經誕生。「他做這件事情其實對整個CRISPR 領域傷害非常大，因為，那時候所有的科學家大家其實都有一個共識，這個東西很powerful，但是要很小心的使用。」從與凌嘉鴻的言談之中，可以感受到這件事情的重要性。

在《基因啟示》採訪的過程中，羅時成也語重心長的提醒，「基因療法跟細胞療法是未來醫學上必然的一個趨勢，但是它會不會造成倫理上的問題呢，這個值得我們好好的反思。」CRISPR-Cas9 系統的影響仍在不斷擴大，它的出現無疑將生物與醫學領域帶往了視野無限廣闊的下一個世代。但「能力愈強，責任愈大」，當強大的工具被發明出來時，學研圈也有相對的義務要去了解這項技術帶來的影響，並規範與限制它的範圍，避免技術造成的損害反而大於所帶來的利益。相信集眾人之力，在未來，我們會看到生命科學領域有更多意想不到的驚喜和重要的突破。

《基因啟示—解碼與編輯》第二集：編輯
首播：民視新聞台10月23日（日）15：00~16：00
重播：民視台灣台10月29日（六）15：00~16：00
補助單位：國科會《科普產品製播推廣產學合作計畫》
計畫主持單位：長庚大學
製作單位：東臺傳播股份有限公司

延伸閱讀

1. 科學月刊（2022），《21 世紀諾貝爾化學獎2001-2021》，鷹出版。

2. 羅億庭，〈意外搭上基因編輯這條大船―凌嘉鴻專訪〉，《科學月刊》612 期，2020 年。

3. Zhang., et al. (2015). Off-target Effects in CRISPR/Cas9-mediated Genome Engineering, Mol Ther Nucleic Acids, 4(11), e264.