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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。

第三集想探討的是，既然科學家找到了CRISPR-Cas9 這把神奇剪刀，動植物的基因組可以經人為改變。那麼，我們如何妥善利用，找到與萬物和平共存的方法呢？

在18 世紀之前，人們對於遺傳和基因的概念相當薄弱，基因遺傳「genetic」一詞甚至一直到1830年代才首次出現。不過，就在奧地利科學家孟德爾（Gregor Mendel）做了豌豆遺傳實驗、提出的遺傳因子的概念後，遺傳學家便踏上了尋找「基因」（gene）的旅程。1953年，美國分子生物學家華生（James Watson）和英國物理學家克里克（Francis Crick）根據英國物理化學家與晶體學家富蘭克林（Rosalind Franklin）所進行的X 射線晶體繞射圖，提出了著名的DNA 雙螺旋結構模型，確認了基因的載體是DNA。

基因工程的演進基因本質的確定不僅是遺傳學的一大突破，也為爾後的分子生物學帶來顯著影響，與基因和DNA 相關的研究也開始有了突飛猛進的進展。克里克於1958 年提出的遺傳中心法則（central dogma），更為往後基因的複製、轉錄、轉譯、調控等方面的研究奠定了基礎。隨著人類對基因的了解，基因工程技術也相繼問世，改變生物遺傳物質的基因轉殖動物（transgenic animal）、基因缺失小鼠、基因改造食品（genetically modified food, GMF）等相關研究也在20 世紀開始蓬勃發展。

然而，傳統的基因工程（genetic engineering）所需耗時，且須利用外來物種DNA，作為基因改造食品的安全性也有待商榷。因此近年科學家將存在細菌免疫系統中、用來對抗病毒感染的CRISPR-Cas9系統，改造成能自由將細胞體內的雙股DNA 切除並進行修復的CRISPR-Cas9 基因編輯技術，使能高效率地在細胞中進行基因編輯。

CRISPR-Cas9 技術的問世無疑是科學研究上一個強大的工具，更可能改寫人類科學研究的劇本。目前，科學家也陸續聯手將這項技術運用在臨床治療、農作物、病蟲害防治甚至是全球暖化議題上。如同前面所提及，為了解決糧食危機，科學家希望利用基改作物來對抗暖化與極端氣候，不過利用以往的技術所做出來基改作物，在食用上會有安全性的疑慮，擔心外來DNA 會影響體內基因產生變異。另外，目前各國對於基改作物的規範也有所不同，爭議不斷。然而，CRISPR-Cas9 技術的出現，或許可以為人類解決這項問題。

CRISPR-Cas9 在農業上的應用

在第三集的《基因啟示》中特別訪問了中央研究院農生中心與「創新轉譯農學研究計畫」團隊，他們利用原生質體再生系統與CRISPR-Cas9 育種技術，成功在高種原歧異度的秘魯番茄（Solanum peruvianum）中，驗證出與黃化捲葉病毒病有關的抗病基因。團隊首先在取得秘魯番茄的細胞後，利用纖維酶（cellulase）消化掉它的細胞壁，剩下不包含植物細胞壁的原生質體（protoplast）。接著團隊設計能引導剪切的Cas9-sgRNA 複合體或CRISPRCas9基因編輯載體，導入生物細胞中，以辨識細胞內的目標⸺抗病基因，進行DNA 的剪切。

經過基因編輯後的秘魯番茄會產生明顯葉片變細等病徵，直接證明抗病基因已被剔除。由於過程中沒有在細胞核以及祕魯番茄的基因組中加入任何的外來物種的DNA，所以不屬基改作物的範疇。「傳統上只會針對編輯的區域進行定序，但是為了破除傳統對基因編輯的疑慮，所以我們使用全基因體定序，同時以生物資訊分析證實基因編輯沒有產生不必要的突變。」中央研究院南部生物技術中心研究員林耀正表示。

除了利用基因編輯技術找出植物中的抗病基因，目前研究團隊也把目標鎖定在解決臺灣農業的問題，在第三集的《基因啟示》中特別訪問了中央研究院農生中心與「創新轉譯農學研究計畫」團隊，他們利用原生質體再生系統與CRISPR-Cas9 育種技術，成功在高種原歧異度的秘魯番茄（Solanum peruvianum）中，驗證出與黃化捲葉病毒病有關的抗病基因。團隊首先在取得秘魯番茄的細胞後，利用纖維酶（cellulase）消化掉它的細胞壁，剩下不包含植物細胞壁的原生質體（protoplast）。接著團隊設計能引導剪切的Cas9-sgRNA 複合體或CRISPRCas9基因編輯載體，導入生物細胞中，以辨識細胞內的目標⸺抗病基因，進行DNA 的剪切。

經過基因編輯後的秘魯番茄會產生明顯葉片變細等病徵，直接證明抗病基因已被剔除。由於過程中沒有在細胞核以及祕魯番茄的基因組中加入任何的外來物種的DNA，所以不屬基改作物的範疇。「傳統上只會針對編輯的區域進行定序，但是為了破除傳統對基因編輯的疑慮，所以我們使用全基因體定序，同時以生物資訊分析證實基因編輯沒有產生不必要的突變。」中央研究院南部生物技術中心研究員林耀正表示。

上圖為利用原生質體再生與CRISPR-Cas9 育種技術的祕魯番茄；下圖為研究團隊透過螢光蛋白來確認原生質體的轉染（transfection）效率。
 

除了利用基因編輯技術找出植物中的抗病基因，目前研究團隊也把目標鎖定在解決臺灣農業的問題，中研院農生中心研究技師林崇熙也在節目中表示，「目前我們已經利用生物資訊找出有利於在臺灣生長的十字花科農作物相關基因，像是花椰菜抗高溫與淹水等基因，未來希望將這些能夠抵抗環境災害的作物基因拿來育種。」

「我們先利用基因定序或比較不同品系基因表現的差異，找到抗淹水相關的基因，再透過基因編輯修改目標基因，透過反覆修改驗證直到放到田間再次驗證能夠抗淹水，而且不會產生有害人體和環境的副產物，另外維持一定產量和品質才算完成。」林耀正補充說明。由於CRISPR-Cas9 能夠精準且快速地編輯，擺脫傳統分子育種需要好幾代的時間，再加上原生質體再生的運用，沒有外源基因，也就是基改問題的疑慮，將更有利於運用在商業物種的培育以及提升臺灣種苗產業的發展。

林耀正於溫室內查看經過CRISPR-Cas9 基因編輯後的花椰菜生長狀況。
 

利用基因驅動改變病媒蚊數量

不只是將CRISPR-Cas9 技術應用在植物，科學家也試圖利用此技術改善病蟲害對人類帶來的威脅。在第三集的《基因啟示》中也提到，根據世界衛生組織（World Health Organization, WHO）的報告顯示，2020年世界上約有2.41億起瘧疾病例，造成約62.7萬人死亡，甚至在非洲，每兩分鐘就會有一個孩童死於瘧疾。「國際上病媒蚊傳播的疾病還是以瘧疾為主，特別是非洲國家。由於臺灣早期瘧疾就已經被根除，所以現在臺灣病媒蚊研究主要是針對傳播登革熱的埃及斑蚊。」國家衛生研究院感染症與疫苗研究所副研究員陳俊宏說道。

為了解決全世界的病媒蚊問題，科學家注意到生物中存在著一些特別的基因，遺傳到子代的機率超過50%，而這些基因就被稱作自私基因（selfish gene）。自私基因可以讓族群中某基因出現的頻率大幅提升，打破傳統的孟德爾遺傳定律。2003 年，倫敦帝國學院（Imperial College London）的演化生物學家伯特（Austin Burt）也利用這項概念，提出一個稱為「基因驅動」（gene drive）的應用，讓像是可以改變蚊子性別或使蚊子死亡的特定基因，有較大的機率可以遺傳至下一代。

當時伯特想利用HEG（homing endonuclease gene）這個自私基因來改變蚊子族群的基因。雖然理論上能透過這個方式改變蚊子的基因，但是科學家實際操作後發現這項方法不容易成功，因為讓HEG 準確剪切某一段特定基因並不容易。即使後來他們也曾嘗試使用鋅指核酸酶（zinc-finger nucleases, ZFN）和類轉錄活化因子核酸酶（transcription activatorlike effector nucleases, TALENs）等編輯基因工具，但做出來的HEG 驅動器不穩定，傳播效果也不好。

以CRISPR-Cas9 系統作為基因驅動不過就在2012 年，美國生物學家道納（Jennifer A. Doudna）和法國微生物學家夏彭蒂耶（Emmanuelle Marie Charpentier）發表了CRISPR-Cas9 技術後，徹底改變了基因工程。去（2021）年7 月，伯特和義大利微生物學家克里桑蒂（Andrea Crisanti）的研究團隊以瘧疾主要帶原者⸺甘比亞瘧蚊（Anopheles gambiae）為實驗生物，結合CRISPR-Cas9 和基因驅動技術，編輯了能決定病媒蚊性別的基因doublesex。

研究發現，當瘧蚊帶有一組編輯過的doublesex 基因時，不會有任何改變。但是當雌蚊帶有編輯過的同型合子（homozygous）時，會同時擁有雄性和雌性的生理特徵，不過無法正常叮咬，也無法正常產卵，失去繁殖能力。而帶有同型合子則對雄蚊沒有影響，牠們仍具有交配繁殖能力，並能夠持續傳播doublesex 基因。所以，研究團隊嘗試將基因編輯後的雄蚊野放，進而抑制雌蚊繁殖能力，藉此控制病媒蚊數量，且發現蚊子會在繁衍至第7 ～ 11 代之後滅絕。

「基因驅動的特性是只要釋放，在一定的數量之後，這些族群就會自動的每一代增加族群的比例，然後在一定的時間之內達到覆蓋所有區域的目的，所以在經濟上、成本上都是一個相當大的優勢。」陳俊宏補充說明。
然而，就在我們成功解決病媒蚊的同時，不免也有些人或科學家開始質疑運用這些方法，會不會因此減少物種多樣性以及打破生態平衡？陳俊宏在節目中也坦言，「基因驅動確實會影響到生態系和生物多樣性，因為假設基因驅動成功的話，這個物種就會一直帶有這個所謂的抗病基因，我想這是一個未來值得思考的方向。」

在節目中陳俊宏也提到，雖然基因驅動能幫助人類解決病媒蚊，但也不得不考慮是否影響生態系和生物多樣性的問題。
 

創造「共好」的未來

基因工程的出現，讓人類得以自由改寫基因密碼。再加上CRISPR-Cas9 技術，人類已進入一個什麼都可以「設計」的時代。如今我們能快速地產出抗病或高產量的農作物、透過基因改造蚊子以消滅病媒蚊，甚至是治療人體免疫或遺傳相關疾病。

然而，所有的新興技術都可能是把雙面刃。如何在運用一項新技術革新的同時，又能達到與動、植物「共好」？如同CRISPR-Cas9 技術的發現者道納在2018 年接受《科學月刊》的訪問時曾提到，她自己有時候也很難評估或斷言基因編輯是否是件好事。所以，如何謹慎、妥善地利用這把基因剪刀，讓地球上的所有物種都能邁向更美好的未來，是人類不得不認真思考的問題。
 

《基因啟示—解碼與編輯》第三集：共好
首播：民視新聞台10月30日（日）15：00~16：00
重播：民視台灣台11月5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. Andrew Hammond et al., (2021). Gene-drive suppression of mosquito populations in large cages as a bridge between lab and field, Nature Communications, 12, 4589.

2. Kyros Kyrou et al., (2018). A CRISPR-Cas9 gene drive targeting doublesex causes complete population suppression in caged Anopheles gambiae mosquitoes, Nature Biotechnology, 36(11), 1062-1066.

3. 趙軒翎，〈基因編輯大浪襲來―CRISPR 技術先驅者珍妮佛．道納專訪〉，《科學月刊》588 期，2018 年。