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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】