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2018-12-01基因編輯大浪襲來— CRISPR技術先驅者 珍妮佛·道納專訪 588 期

Author 作者 趙軒翎/本刊副總編輯。
「起初浪很小,但漸漸變大,在我眼前升起,浪潮宛如一座巨塔,頂部白色的浪花掩蓋了天空。之後又是一波接一波的浪往岸邊襲來……這時 是 2015 年 7 月,我正處於自己一生 中最興奮、最忙碌的一年。我開始經常做這樣的夢,現在想來很容易領悟到其中深藏的意義。海灘僅是海市蜃樓,但波浪以及其所激起的恐懼、希望和敬畏的情緒都太過真實。」

這是美國加州大學柏克萊分校教授道 納(Jennifer Doudna)在她與史騰 伯格(Samuel Sternberg)合著的科 普書《基因編輯大革命》( A CRACK IN CREATION : Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution)中寫的序言。她帶領研 究的革命性生物新技術「基因編輯 (genome editing)」, 讓生物學家能 夠更輕易地修改生物的基因。這個技術在發明的短短數年內,就已經改變了實驗室內的基礎生物研究,像是一波波的小浪在全球各地積累,並且正步步朝著各種應用層面推進,人類更精準操作生命的巨浪正朝我們逼近。

從細菌的免疫系統借來的大發明

 
在確立遺傳物質DNA會轉錄成RNA, RNA則轉譯為蛋白質的「分子生物 學中心法則(The central dogma of molecular biology)」後,RNA 的 角色原本被認為僅是忠實傳遞遺傳訊息的過渡物質,並不特別被重視。然 而,更多的研究顯示RNA擁有不同 的形態與結構,也非完全依照DNA 序列為樣板依樣畫葫蘆那麼單純。這 表示RNA仍有許多面向值得探索、 各種謎團待解,這個發現深深吸引著 道納,也讓她開始投入RNA分子的 生物機轉研究。

而道納從RNA轉而投入基因編輯研 究的轉折,來自於2006年同校一名未 曾碰過面的同事,打來的一通請求碰面洽談合作的電話。道納與地球微生 物學家班菲爾德(Jillian Banfield) 約在咖啡廳碰面,班菲爾德告訴她細菌或古菌中有一個特殊的機制,可能是它們對抗病毒入侵的免疫系統。 這個系統的主角是一段重複DNA 結構,被命名為CRISPR,為「群 聚且有規律間格的短回文重複序列 (clustered regularly interspaced short palindromic repeat)」的簡稱。班菲爾德認為CRISPR 和道納 的 RNA 研究有些相關,這些古菌與 細菌可能是透過表現CRISPR序列的 RNA 片段來辨識外來病毒的DNA, 並透過酵素作用銷毀它來保護自己。

「我對這些非常根本的基礎研究很有興趣。」道納說,「我對大自然的一切感到好奇,並想試著去了解生命的 根本。」當時她完全不知道CRISPR 將如何影響她的研究生涯,只是非常單純受班菲爾德影響,想多了解 CRISPR系統,因而開啟了她從未想 過的新探索方向。

道納提到,當 1953 年華生與克立克 解開DNA 結構之謎後,科學家就開 始想方設法要以人之力修改生物中的 DNA,來滿足研究或動植物育種上的 需求。科學家因應修改生物中DNA 的方法很多,像是可使動物變成通體 發螢光的基因轉殖技術(transgenic animal), 但可以精準地將細胞中原有 基因加以置換的技術是最難的。基因 剔除∕嵌入鼠(knock out∕in mice) 曾在這個領域獨領風騷數十年,但因為研究價格高昂,加上僅能在小鼠單一物種中施行,科學家們不斷找尋其他 替代研究方案。在CRISPR技術發明 之前,科學家多是用「鋅指蛋白(zinc finger nuclease, ZFN)」及「似轉錄因子激活核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, TALEN)」2 個工具。這 2 個工具嵌合能辨 識特定DNA序列的蛋白質片段以及具切割雙股DNA 能力的核酸酶,蛋白質的標誌模組帶著核酸酶到特定位 置,由核酸酶剪斷DNA序列,再移除或插入目標序列。 雖然這些方法並非百分之百能成功,也仍有許多缺點,但在科學家們的投入與改良下,這些工具的編輯效率也漸漸提升,這也是在生物學上很重要的突破。


然而,上述2個基因編輯技術在2012年後因為CRISPR 的出現而黯然失色。和ZFN與TALEN工具一樣, CRISPR在古菌與細菌裡的作用機轉中,也有一個重要 的蛋白質。CRISPR 搭配的蛋白質稱為Cas(CRISPR associated protein),它不僅能辨識入侵病毒的DNA, 還會將其水解並將其部分DNA序列加工嵌入CRISPR 重複序列之間,未來Cas蛋白能夠透過轉錄出的RNA 片段去辨識外來DNA,加速消滅宿敵的速度。CRISPR 基因編輯系統是由CRISPR RNA、Cas 蛋白家族中的 Cas9蛋白,以及一段輔助用的RNA(tracrRNA), 共同構成的複合結構。而道納與法國生物學家夏彭提耶 (Emmanuelle Charpentier)共組的團隊,則是試圖將 CRISPR RNA和tracrRNA接成一段合成的單股 RNA,讓更有效率的編輯基因強大工具 CRISPR∕Cas9誕生於世。......【更多內容請閱讀科學月刊第588期】