「CRISPR!」是基因治療的芝麻開門通關密語嗎?

■大家總說 CRISPR 像是阿里巴巴芝麻開門的密語般神奇,可以開啟基因治療的大門。到底 CRISPR 的神妙之處在哪裡呢?

圖片來源:Wikimedia Commons
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撰文|駱宛琳

在1901年的時候,英國蓋羅爵士確立了第一起人類先天遺傳性疾病:黑尿症;自此,基因突變和疾病之間的關聯,完全抓住了醫學研究和臨床治療的注意力。基因架構著細胞生理反應的藍圖,基因體內的 DNA 被轉錄為 RNA,再進一步被表現成蛋白質。而蛋白質就像執行命令的小兵,一個又一個的蛋白質「螺絲釘」,決定細胞的功能與命運。雖然細胞內一層又一層的調控,可以根據細胞所處的生理環境,因時制宜地對 DNA 到蛋白質之間的命令傳遞鏈做出微調,但如果起步的基因藍圖出了錯,自然也就步步錯。

在黑尿症之後,已經有超過八千種人類疾病,被發現是肇因於單一基因突變,估計影響了全世界約四億人的健康。麻煩的是,很多先天遺傳性疾病都算罕見疾病;如果要逐個突破,所需要的研發經費、人力與時程,都是令人屏息的浩大。

不過,既然我們已經知道是哪一個基因出了錯,是不是能夠想出一個以一擋百的「立可白」修正策略,直接在基因藍圖上做出修正,在錯誤的源頭,與肇事者正面迎戰呢?

科學家想做基因治療的夢,需要「基因體編輯」(genome editing)技能的背書。 但,對基因藍圖上的 DNA 序列做出更正,並不是像打字一般,只要狂按「刪除鍵」加上「重新鍵入」就能解決。2007年的諾貝爾醫學獎也正因為如此,頒給了 Smithies 博士和 Capecchi 博士,表彰他們研發出能夠用在老鼠胚胎幹細胞上的基因體編輯技術,讓科學家能夠利用基因工程,準確的操控老鼠基因體序列。

有諾貝爾獎背書的傳統技術固然好用,但缺點就是耗時、費力,也花錢,有時候還得看老天眼色,並不是所有的基因都一樣容易操控。不僅可以選用的老鼠胚胎幹細胞株選擇極有限,對實驗設計極其仰賴「純品系」的免疫學家而言,之後為了得到純種老鼠的配種,更是數饅頭數到織女與牛郎都不敢抱怨等七夕等得地久天長。

但最近幾年的當紅炸子雞「CRISPR」,則完全讓基因體編輯(尤其是用在老鼠實驗模型)產生天旋地轉的大地震。以往,連「製鼠業」翹楚Jackson Lab都可能得花上一兩年才得到的基因剔除老鼠,在CRISPR逐漸普及之後,六個月拿到夢中之鼠,是讓人敢拍胸脯保證的所言不虛。而且,研究人員可以從任何一種想要的老鼠受精卵開始,省去以往還得代代配種的麻煩。不僅號稱人人都能做,花費也比傳統方法便宜很多。更讓人五體投地的是,傳統方法的成功率,平均只有約50%到55%,但 CRISPR 拿到基因剔除鼠的成功率,是85%到95%。 目前就我自己、身邊的同儕與朋友,只要是試過的,還沒有聽到失敗的例子呢!

以 CRISPR 來執行基因體編輯,為何能如此高效率呢?CRISPR 的運作邏輯,就像是跟大自然的演化歷程,商借了一套可以用來編輯基因體 DNA 序列的「刪除鍵」與「重新鍵入新序列」最佳拍檔。

這組最佳拍檔的其中一角,就是在細菌與古細菌中發現,用來消滅入侵菌體內的質體、病毒遺傳物質的細菌免疫反應:「CRISPR–Cas9」系統。在已經定序的細菌中,大約有超過 40%的菌種都可以找到 CRISPR 和 Cas 蛋白的蹤跡;對古細菌而言,更是絕大多數都擁有這個法寶。CRISPR 和 Cas 蛋白可以再細分成許多不同的種類,而目前在「基因編輯」上,最被廣泛運用的組合是 CRISPR 和 Cas9 蛋白。

Cas9 蛋白本身是 DNA 核酸內切酶,扮演著「刪除鍵」的角色,可以把結合上的 DNA 序列在特定位置切斷、然後從切斷處開始分解掉。而 CRISPR 則像是附有 GPS 功能的自動駕駛系統,把「刪除鍵」Cas9 蛋白,帶到科學家想要的目的地。CRISPR 帶有一段特定的 DNA 序列:在細菌體內,通常是一段曾經入侵過的敵人 DNA 序列;對研究人員而言,則是一小段專屬於有興趣基因的 DNA 序列。寫進 CRISPR 內的 DNA 序列,可以被轉錄、然後處理為一段成熟的 CRISPR RNA (crRNA)。當 Cas9 蛋白和 crRNA 結合在一起之後,會被 crRNA 牽著鼻子走到和 crRNA 序列吻合的 DNA 處,然後把該段 DNA 分解掉。

CRISPR–Cas9 最重要的功能,就是在精準的位置扮演「刪除鍵」的角色。一旦 Cas9 蛋白藉由 CRISPR RNA 所挾帶的指示,在基因體多如繁星的基因中,找到「只此唯一」的基因位置下刀,就會造成該處的 DNA 產生雙股斷裂。DNA 雙股斷裂對細胞來說,是原子彈爆炸等級的警鈴大響,這會讓細胞啟動 DNA 修補系統,嘗試去修復該段 DNA。

細胞內建的 DNA 修復系統,就是在最佳拍檔中扮演「重新鍵入新序列」的角色。而這也提供研究人員一個契機,可以在過程中暗渡陳倉一段新序列,企圖讓細胞利用新序列來作為修補的模板,於是就可以將基因序列「修改」成想要的樣子。如果是單純想要剔除某個基因,讓該基因無法表現正常的蛋白質,就更容易了。只要放任細胞的 DNA 修復系統,讓細胞在修補過程中胡亂做工,隨意添加、增減 DNA 序列,修改後的 DNA 序列往往就只中看不中用,無法產生穩定、有用的蛋白質。

CRISPR 效率高、耗時短,又相對便宜,在技術普及後,不僅在老鼠基因工程上產生前所未有的大革命,許多實驗室更是迫不及待的想要將這技術用在臨床治療上。目前,中國有針對肺癌病人的臨床試驗正進行得如火如荼;美國在今年夏天也剛核准一例將 CRISPR 用在癌症病人的臨床試驗。CRISPR 讓基因治療的夢,在二十一世紀的現在,看見了露臉的大太陽;而這大太陽能不能如大家引頸企盼的即將日正當中,讓我們一起拭目以待吧!

參考資料:

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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。

 

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