2016年唐獎生技醫藥獎——到底CRISPR是何方神聖

■近年在諾貝爾醫學獎公布前夕,「CRISPR」始終都是炙手可熱的關鍵字。諾貝爾獎到底什麼時候會獎落「CRISPR」,一直都是大家猜也猜不膩的熱門話題。雖然 CRISPR 2016年又跟桂冠擦身而過,但 CRISPR 在生醫領域狂捲的革命,已無庸置疑成就了劃時代的貢獻,得獎只是時間早晚的勢在必得。而 CRISPR 身為2016年唐獎生技醫藥獎的得主,更是讓人心悅臣服的實至名歸。那倒底,CRISPR 是何方神聖?

©The New Yorker; Illustration by Todd St. John
©The New Yorker; Illustration by Todd St. John

撰文|駱宛琳

說到近五年生醫界最受人矚目的巨星,「CRISPR」當之無愧。CRISPR 厲害之處在哪裡?這個新技術的成熟,像是人造太空梭問世後讓人終於能勇敢作夢登陸月球一樣,讓科學家開始覺得以「修正基因」為目標的治療策略,不再遠如天邊浮雲般遙不可及。研究人員利用 CRISPR 技術,可以很有效率地在有興趣的基因上,將基因序列做出改變。

利用 CRISPR 新技術來改造動物細胞株、或是老鼠胚胎的基因序列,像是去巷口的小七買泡麵回來當晚餐一樣。 現在,要建立一隻新的基因剔除老鼠,CRISPR 幾乎是所有實驗室會想到的第一選擇;和傳統方法比較起來,CRISPR 不僅簡單、效率高,更是又快、又便宜、又好上手。

在 CRISPR 技術出現前,想要如神之手般改變老鼠體內基因,雖不容易卻可行;但對於養在培養皿內的細胞株,想要在基因的層次上,對基因序列做出改變,簡直是癡人說夢。當 CRISPR 技術被有系統的建立起來之後,不論是想改造老鼠身上的特定基因,還是想應用在細胞株上,科學家都如虎添翼般,更能夠比以往更能隨心所欲地對基因序列做出想要的改變。兩年前,也有實驗室成功利用 CRISPR 技術,建立出基因剔除的猴子,顯示 CRISPR 的神奇魔力在靈長類動物身上,一樣可行。2016年夏天,中國與美國也都各自有以 CRISPR 為基礎的臨床實驗設計被核准通過,預計用以治療癌症病人。

CRISPR 技術的普及,讓科學家搖身一變,變成基因魔術師。那為什麼一直到二十一世紀,我們才發現 CRISPR 這個新大陸呢?找到 CRISPR 的哥倫布,又是如何發現它的呢?

CRISPR 是很長一段英文的縮寫,「clustered, regularly interspaced short palindromic repeats」,平鋪直敘卻直接了當的解釋了 CRISPR 的身世之謎。CRISPR 就是許多一小段、一小段的基因序列,像圖書館內的索引卡一樣,好好地被細菌與古細菌保存在菌體內。細菌與古細菌為什麼想要保存這些小片段的基因呢?這些小片段基因,最初又是屬於誰呢?

讓科學家稍微瞠目結舌的是,這些被細菌與古細菌所保存在體內的小片段基因,是細菌與古細菌的免疫防衛系統!當細菌與古細菌碰到天敵噬菌體或病毒的時候,除了被動的把入侵者擋在家門外,阻止入侵者附著在菌體上,或是防備入侵者把遺傳基因物質注入菌體外,也會出其意表地採取主動出擊的「CRISPR」策略。

細菌與古細菌把入侵的噬菌體 DNA 分解成小片段的序列,然後再極有次序的把這些 DNA 片段收集起來。這些小片段 DNA 就像噬菌體的指紋檔案一樣,當下一次再和同類的噬菌體狹路相逢時,細菌就有「過目不忘」的本事,能夠啟動體內的免疫系統,讓警鈴大響。而且這些噬菌體的指紋檔案,不單是冷冰冰的目錄檔而已;而是不容小覷、凶狠的小李飛刀。細菌把這些噬菌體的 DNA 片段(又稱做spacers),保存在 CRISPR 的重複序列(repeats)之間;當細菌把這些DNA序列檔轉譯、修飾為成熟的 CRISPR RNA(crRNA)後,可以和 Cas 蛋白質組合成穩定的核糖核蛋白複合物。帶有 crRNA 的 Cas 蛋白質,像是警犬一樣,能夠「聞出」符合該指紋檔案的噬菌體。一旦有跟 crRNA 檔案符合的噬菌體 DNA 被發現,細菌就可以啟動防禦機制把該段入侵的 DNA 分解掉。

CRISPR 和 Cas 蛋白所聯手的防禦機制,就像是細菌與古細菌的適應性免疫系統(adaptive immunity),擁有極大的「可能性」。適應性免疫系統不同於先天免疫系統的地方在於,先天免疫系統在漫長的演化裡,發展出幾套「有限」、「既定」的受體去偵測可能的外來入侵者的「共同特徵」。以哺乳類動物為例,有些先天免疫系統的受體專門偵查細菌細胞壁醣蛋白,有些專門辨認雙股 RNA。但適應性免疫系統讓生物體在與病原菌的大戰裡,不用受限於演化過程裡給了生物體一套怎樣的「牌」,而能藉由基因重組也好、或是其他類似機制,產生出「無限種可能」的受體專一性,應付成千上萬種可能的入侵者。

細菌與古細菌應付噬菌體的 CRISPR 防禦機制,有點像是「誓不貳過」的收集癖。把每一個曾經入侵過的噬菌體DNA都好好收集起來,登錄在黑名單上。藉由 CRISPR 機制,細菌與古細菌就能夠對曾經感染過的噬菌體,啟動極為「專一性」的「免疫記憶」反應,這也就構成了符合適應性免疫的要件。細菌也有適應性免疫系統的假說,在2005年的時候第一次被提出來,但一直到2007年,才由加州柏克萊大學的 Doudna 博士,和當時在瑞典優密歐大學的 Charpentier 博士,兩個實驗室聯手證明出來。

當 CRISPR 被發現之後,又是如何席捲整個生醫研究領域,造成最近十年來最大的生技革命呢?讓我們下回分曉吧!

 

參考資料:

  1. Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier E. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 2012 Aug 17;337(6096):816-21. doi: 10.1126/science.1225829. PMID: 22745249
  2. Amitai G, Sorek R. CRISPR-Cas adaptation: insights into the mechanism of action. Nat Rev Microbiol. 2016 Feb;14(2):67-76. doi: 10.1038/nrmicro.2015.14. Review.
  3. Labrie SJ, Samson JE, Moineau S. Bacteriophage resistance mechanisms. Nat Rev Microbiol. 2010 May;8(5):317-27. doi: 10.1038/nrmicro2315. Review. PMID: 20348932
  4. Westra ER1, Swarts DC, Staals RH, Jore MM, Brouns SJ, van der Oost J. The CRISPRs, they are a-changin': how prokaryotes generate adaptive immunity. Annu Rev Genet. 2012;46:311-39. doi: 10.1146/annurev-genet-110711-155447.

--
作者:駱宛琳 美國聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)免疫學博士,從事T細胞發育與活化相關的訊息傳導研究。

 

加入好友

7,377 人瀏覽過