CRISPR 基因編輯動物園

圖片來源:www.sciencemag.org

撰文|馬千惠

CRISPR-Cas9 基因編輯技術尚未發展以前,研究人員僅改造了少數幾種動物的基因,其程序效率低且需耗費許多的人力及經費。得力於相較而言更加精準簡單的CRISPR 技術,研究人員得以改造更多生物物㮔,許多以往沒辦法做的計劃,都變得具有可行性。僅僅在過去兩年期間,科學家們已提出在猴子、長毛象、蚊子以及許多物種進行基因改造的展望,應用的領域橫跨農業、製藥以及復育絶跡的物種。經過基因編輯改造出的動物,甚至成為市面上販售的寵物。由於此技術相對來說容易進行而且造價便宜,也有可能被不法份子利用來製造具破壞性的生物武器,而將用來當作食品或野放至自然界的物種,必須考慮其安全性和對生態的影響。如何適當地運用 CRISPR-Cas9 這強大的工具,並進行相當的管控是很重要的,急需研究人員、管制單位以及社會大眾共同參與討論。

●生物疾病管控方面的應用

在農林業上, CRISPR-Cas9 基因編輯技術的熱門應用之一在於「提升抗病性」。舊金山一生技企業家 Brian Gills 研究一種會清潔蜂窩的蜜蜂,牠們也會將受感染生病的幼蟲搬離,其族群比較不會受蟎、黴菌或其他病原體影響。Gills 認為如果可以找出決定此行為的基因,以此為模板去編輯其他種類蜜蜂的基因,將可使其他種類的蜜蜂擁有更健康的蜂窩。影響生物行為的因素通常很複雜,目前尚無法明確定出特定基因。不過這樣的考慮並没有阻擋科學家將此技術應用在管控生物疾病上的努力。另一群科學家試著基因改造出能抵抗病毒感染的豬,將豬的免疫基因修改得較接近野豬,希望藉此提高豬的免疫力來抵抗非洲豬瘟,或是修改豬的細胞表面蛋白質,使感染呼吸道的病毒無法進入豬體內。另外編輯牛的基因,使其能抵抗造成昏睡症狀的寄生蟲。這些研究成果可以降低豬和牛感染得病機會,減少每年畜牧業的損失。

政府單位正在考慮,採用原先管制基改動物的法規來管理 CRISPR 編輯動物是否恰當? 因為 CRISPR 編輯動物不會有其他物種的 DNA,所以並不算是基改動物。

●製藥方面的應用

全世界大約有百分之二的小孩對雞蛋過敏,他們沒有辦法施打由雞蛋製造出來的多種常規疫苗,澳洲分子生物學家 Timothy Doran 的十一歲女兒就是其中之一。他相信用 CRISPR-Cas9 強大的基因編輯能力,將可解決這個問題。

大部分對雞蛋過敏的人是因為對雞蛋蛋白中四種蛋白質中的一種過敏,Doran 的構想是如果能以 CRISPR技術精細的調整改造雞的基因序列,使所製造出的蛋白質不會啟動過敏反應,但仍可維持雞胚胎的發育,之後可以生出不會引起過敏反應的雞蛋。

由於鳥類的受精卵和蛋黃緊密結合,如果要在體外編輯基因,移出受精卵的過程會破壞雞胚胎。若是要在母雞體內進行基因編輯,又有技術操作上的困難,等到蛋被生出來則已經錯過了編輯基因的時機。於是他們改以雞的原生殖細胞( primordial germ cells, PGCs)作為基因編輯的對象,編輯後再放回發育中雞隻的血液裏,待其成熟後會成為有特定編輯基因的精子或卵。他們更計畫將 CRISPR-Cas9 所需元件,先放到雞的基因體裏,製造出 CRISPi 雞,這樣可以使編輯的程序更簡化,有助於以家禽家畜來製造藥物的畜產製藥業( farmaceuticals’) 發展。管制單位表示願意考慮,但是還需要相當時間才有可能核准以基因編輯雞蛋來製藥。歐盟早在 2006年認證了可以生產抗凝血蛋白質羊乳的基因改造山羊,之後 2009年美國食品藥物管理局也予以認證; 而兩個單位於 2015年也都給予能製造出膽固醇藥物的基因改造雞認證。

●消除動物絶種問題

大約四千年前人氣候變遷與人類濫捕造成猛瑪象滅絕。哈佛醫學院 George Church 試圖使用 CRISPR 技術來復原絕種的動物,此舉引起眾人的注意。他計畫將濒臨絶種的印度象透過基因改造方式變成長毛的猛瑪象,或是變成具有抗寒能力的大象,然後將改造後的象放養於有足夠活動空間的西伯利亞保護區。2015年芝加哥大學 Vincent Lynch 的研究發現,將細胞感熱及毛髮生長的基因加以猛瑪化後,此細胞可以在較低溫的環境下生長,且具有此類似改良基因的老鼠,也比較喜歡待在控溫培養箱裏較冷的區域中。而哈佛醫學院的Church 則表示他已經修改了十四個大象胚胎的基因,由於將基因編輯過的大象胚胎放回瀕臨絕種的印度象子宮裏培育,被視為是違反道德的事,所以他們正在研發人造的子宮,但是尚未成功。此舉看起來似乎瘋狂,但是如果研究成功,將可提升更多動物的耐寒能力。

加州大學 Santa Cruz 分校的 Ben Novak 則企圖復育十九世紀因為人類大量獵殺而絶種的候鴿,藉由比較圖書館所保存的切片樣本和現代鴿子的 DNA,以修改原生殖細胞方法,來改變現代鴿子的基因,使牠們更接近已絶種的候鴿。在沒有 CRISPR 技術之前,一次修改幾百個基因根本是不可能的事,有了 CRISPR 技術,使成功的機會大增。

●控制攜帶病原的載體生物

數十年來研究人員試圖以修改蚊子基因的方式來防止登革熱和虐疾等疾病的散播, CRISPR-Cas9 技術提供了一個新的方向。

加州大學 Irvine 分校的分子生物學家 Anthony James 培育了一種具有基因驅動程式(gene driver) 的蚊子,這種帶有基因驅動程式的蚊子可以將抗瘧疾基因傳給牠的後代,並確保幾乎所有子代都會有兩套編輯過的基因,讓此抗瘧疾基因可以在族群中快速傳播。2015年10月底另一篇研究報告發表了一套不同基因驅動程式,經由修改基因使得母蚊子無法生育,以此消滅蚊子族群。這幾年茲卡病毒的爆發事件,使得大家對此技術更有興趣,目前已有幾個實驗室著手研發相關基因驅動程式,用以消滅茲卡病毒的病媒蚊埃及斑蚊。除了培育像蚊子這類比較簡單容易研究的攜帶病原的載體生物外,科學家也正在進行培育無法傳播細菌的蜱蟲,以及無法傳播寄生蟲的水螺。

在處理嚴重威脅人類的疾病問題時,對自然界的影響也是我們必須考慮的,很多科學家開始擔憂釋放這類基因改造蚊子到自然界有可能會造成我們沒料到或未知的生態問題。為此Church 及他的同事開發了另一反基因驅動程式,一套可以反向消除編輯的方式。

●增加食物產量

美國食品藥物管理局經過長時間審核,終於在2015年十一月核准了第一個作為人類食物的基因改造動物:快速生長的鮭魚(由麻州 AquaBounty 公司所研發出來)。有些人擔憂如果這些基改鮭魚逃至野外,將會破壞生態平衡。魚類科學家 Rex Dunham 針對這個爭議做出回應,如果基改魚可以達到 100% 絶育,即使逃離也沒辦法在自然界繁殖,那麼對生態就不會有遺傳上的影響。以美國漁業養殖最多的鯰魚作為研究對象,他使用 CRISPR 技術成功地抑制了三個生殖賀爾蒙基因,必須經過特定賀爾蒙處理後,才可進行繁衍。同樣的方法可以應用在不同種的魚類。

CRISPR 技術也可以減少農場撲殺動物的數目。由於母牛的產肉量比較低,因此農場通常將撲殺母牛只留下公牛。加州大學 Davis 分校的生物技術家 Alison van Eenennaam 將雄性 Y 染色體上控制男性性徵的基因放到公牛精子的 X 染色體上,利用此特殊 X 染色體培育出有公牛的特徵的母牛,這種母牛能長出較多肌肉,減少被撲殺的狀況。

在雞蛋行業裡由於公雞不會生蛋,所以通常剛孵出來的公雞當天就會被撲殺,洛杉磯州立大學 Tizard 的研究團隊將可以轉譯發出綠色螢光的蛋白質基因剪接到性染色體上,使公雞胚胎在紫外線照射下會發出綠色螢光,可以在小雞孵出前將公雞蛋挑出,轉用於疫苗的生產。

在運送牛隻的過程中,必須將牛趕入較小空間,常常會造成牛隻受傷,別是長角動物更容易受傷。所以一般養牛的人會在運送前將牛角以燒、切割或化學方法去除,此過程不僅動物需承受疼痛,對執行的人也具危險性。但是若以育種方式將優質肉牛或乳牛和天生無角的牛交配,產生的肉牛後代的肉品品質卻會變差。分子生物學家 Scott Fahrenkrug 同時也是 Recombinetics in Saint Paul 公司的創辦人,嘗試用 CRIPR 技術,將去掉牛角的基因與優質肉牛基因剪接在一起,該公司目前僅培育了兩隻無角公牛並飼養於加州大學 Davis 分校,未來等他們成長到可以孕育子代就可知道成效如何。應用 CRISPR 技術可以使畜牧業更加符合人道精神。

●應用於寵物的改良

2015年九月,基因公司 BGI 在中國深圳的研討會上發表了令人震驚、體重只有15公斤的微型豬,大小相當於一條標準的臘腸狗。BGI 公司原本是要培育此微型豬作為研究用,但是已決定改為以美金 1600 元的售價,將微型豬作為新型寵物進行販售,並計劃將來能夠讓買家決定其毛皮的樣式。錦鯉育種在中國已歷史久遠,BGI 公司的董事 Jian Wang 指出即使傑出的育種專家通常也只能在百萬個魚卵中,培育出少數幾條冠軍等級的錦鯉,但 CRISPR 技術可以讓他們改良錦鯉的大小、顏色和花紋,更準確地控制錦鯉的花紋,同時也培育不需要大型魚池可以適應一般家庭式魚缸的錦鯉,預計在 2017 或 2018年就可以上市,同時也會持續開發不同的寵物魚。

澳洲雪梨大學的遺傳學家 Claire Wade 則提出以 CRISPR 技術來改良狗,她的研究團隊比較不同品種狗的基因差異,希望可以找出影響狗行為和特徵的基因,例如決定其敏捷性的基因。韓國首爾的Sooam 生技公司以要價美金十萬元克隆已死寵物聞名,近來他們開始對 CRISP 技術有興趣,計劃以此技術來改善導盲狗和牧犬等功能犬的工作能力。

哈佛大學的生物倫理家的 Jeantine Lunshof 指出,為了滿足人們慾望而去改造動物外貌可能會傷害到動物。但她也承認,其實 CRISPR 作法和幾世紀以來人類用來強化畜養動物和寵物的某些特定特質的近親交配方法,對動物而言本質上並沒什麼不同。而 CRISPR 技術甚至可以更進一步解決一些問題,例如改善數十年來因近親交配法所造成的狗的臀部問題。

●動物實驗模式的建立

長久以來用以研究人類感冒病毒的實驗動物是貂,因為感冒病毒會在貂的呼吸道複製,貂有時也會有打噴嚏的症狀,可用來研究病毒傳播。北京中國科學研究院 Xiaoqun Wang 利用 CRISPR 技術編輯參與貂大腦發育的基因群,以此來研究並改變動物對感冒病毒的感受性,同時他們也將此動物實驗模式提供給其他研究傳染疾病的研究人員。

行為學研究人員則是對和人類比較接近的絨猴和猴子基因編輯動物感興趣,特別是中國和日本。2016年一月在上海的中國國家科學院神經科學家 仇子龙的研究團隊發表以 CRISPR 技術引進突變(註)到彌猴的 MECP2 基因,此基因和神經發展障礙 Rett 症狀相關,經過基因編輯的彌猴表現出泛自閉症障礙,包括重複的行為和避免社交接觸。但是遺傳學家 Anthony Chan 告誡研究人員們,在建立動物實驗模式時應該要謹慎考慮道德問題,例如選用老鼠進行實驗即可,並非所有疾病都需要使用靈長類動物來進行動物實驗。

基礎神經科學也可以從新的動物實驗模式得到助益,麻省理工學院的神經生物學家 Ed Biden 培育一批全世界最小的哺乳類動物樹鼩,樹鼩的腦小到可以在顯微鏡下觀察,經基因編輯的腦部,其神經元在發出訊號時會出現閃光,可讓研究人員研究動物的腦部的即時變化。

CRISPR 動物園快速擴張,未來該往哪個方向繼續前進?此領域勢必面對前一代基因改造植物和動物所引發大眾反彈的困擾,為了避免爭議再度擴大,科學家們有責任也必須和大眾説明 CRISPR 基因編輯技術在生物應用的優點甚至潛在危機,每個人都應該謹慎思考什麼是我們能掌控利用,什麼是我們能去做也能擁有的。

 

註:突變是將 MECP2的 DNA 序列改掉,使其所做出的蛋白失去原功能

 

參考文獻:

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2.Dhanapala, P., Doran, T., Tang, M. L. & Suphioglu, C. Production and immunological analysis of IgE reactive recombinant egg white allergens expressed in Escherichia coli. Molecular immunology 65, 104-112, doi:10.1016/j.molimm.2015.01.006 (2015).
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