【探索19-5】來自細菌的智慧:DNA科技的革命

■任何一種生物在大自然都要面對覓食、求偶、對抗病原體等挑戰。細菌在面對其天敵——噬菌體的時候,如同我們一般,會使用先天與後天免疫機制:前者是在病原體尚未進入身體之前,即準備好了對抗的機制;後者則是要等特定病原體入侵後,才啟動針對該特定病原體的免疫工作。1960年代至今,細菌如何對抗噬菌體的研究,為生物科技帶來了兩次重要的革命。本次演講由探索講座的老朋友——周成功教授,帶領我們回顧這兩項技術革命背後的歷史脈絡與發展。

講師|陽明大學基因體科學研究所兼任教授 周成功
彙整撰文|鄭兆庭

●第一次革命:重組DNA

細菌的先天免疫機制如何運作?首先,細菌製造一種酵素在自己DNA的特定序列上作標記(即所謂甲基化)。接著,再製造另一種酵素去辨識這些特定DNA序列上有無標記。若無,則知道該段DNA屬於外來的,再利用稱為限制酶的酵素把它切斷。所以DNA限制酶有兩項特點。其一,它會辨認特定的DNA序列;其二,若該特定序列上沒有化學標記,便會在這段DNA上切兩刀,產生兩段各自帶有一條互補單股DNA的片段。

由於限制酶所切的DNA序列非常特定,科學家於是想到可以將不同生物的DNA切割後,再組合在一起,成為重組DNA。從此,革命性重組DNA技術就誕生了!重組DNA技術最簡單的應用就是用限制酶把細菌的質體切開,再用一樣的酵素切割像製造人類生長荷爾蒙或是胰島素的DNA。因為切割後的兩組DNA片段尾端,有著相同互補序列單股DNA,所以可以將它們結合在一起,送入細菌中,由細菌生產人類DNA所決定的生長荷爾蒙或胰島素。這項技術是現代生物技術產業的基礎,舉凡人類生長賀爾蒙、胰島素、凝血因子、B型肝炎疫苗、食用酵素、含維生素A的稻米、抗除草劑作物、抗蟲害作物等等,都是以重組DNA技術製造生產的。

●CRISPR從何而來?

今天,我們正在目睹另一場DNA科技革命。這場革命的火苗源自於西班牙臨海小鎮Arenals del Sol。出身該鎮的墨希卡(Francisco Mojica)教授,就讀當地的阿利坎特大學(University of Alicante),拿到博士學位後繼續在此間任教。由於研究經費的限制,研究材料多半就地取材。1993年間,墨希卡還是研究生的時候,便以當地鹽田中的嗜鹽菌(一種古生菌)為材料,試圖找出該菌種中一個會受到環境鹽分影響的基因。基因找出後立刻定出整段DNA的序列。結果發現這段DNA在決定蛋白質的序列之外,還有一段奇特的序列:30至34個鹼基對長的序列重覆了十幾次,而重複序列中間則被35至39個鹼基對長的序列間隔開來。日本學者早幾年 (1989年)也曾在大腸桿菌中發現類似結構的序列,然而不知道這些結構的作用為何。但墨希卡已經注意到了一個問題:為什麼生物界中兩個完全不相關的細菌和古生菌都擁有這樣奇特的DNA結構?1995年,墨希卡回到大學任教,由於缺乏研究經費,只能用個人電腦作一點生物資訊的分析,他在基因資料庫裡尋找還有哪些生物的基因體中,帶有這個奇特的結構。五年後,他終於發表了一篇論文,列出那些細菌的基因體中,帶有這個奇特結構,起初他將之命名為SRSRs (Short Regularly Spaced Repeats)。後來歐洲的研究社群一致同意,用一個唸起來更鏗鏘有力的名字:CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)「帶著短迴文的重複序列依固定間隔形成規律聚集」的DNA結構就此誕生。

接下來,荷蘭的科學家發現不同物種的這些重覆序列附近,還有可以製造蛋白質的基因。他們將這些基因稱為Cas,而這些基因只有在有CRISPR的細菌中存在,顯示它們可能和CRISPR的功能有關。2003年,墨希卡教授突發奇想:為什麼不去看看重複序列中間的那些間隔序列是從哪來的?他將間隔序列手動輸入到基因資料庫中搜尋,發現其中某部分的間隔序列是已知會感染細菌的病毒或質體。於是,一個石破天驚的理論誕生了:CRISPR可能是細菌的後天免疫機制,細菌將先前被感染過的病毒片段留在CRISPR的結構之中,當該種病毒再次襲來時,細菌便得以立即反應,將之消滅。同一時期,法國的科學家在鼠疫桿菌上也有類似的發現。

這項假說引起了法國乳品發酵工業的重視,於是設計了一項實驗去驗證。他們發現,細菌需要Cas7基因來使CRISPR產生抗病毒的能力;但是需要Cas9來真正執行CRISPR產生的抗病毒活性。

●CRISPR所帶來的DNA科技革命與未來

在2012年底,美國加州大學的道納(Jennifer Doudna)教授、維也納大學的夏彭提那(Emmanuelle Charpentier)教授和哈佛大學及麻省理工學院的張鋒教授(於2013年初),同時提出了CRISPR/Cas9的作用機制。張鋒還將CRISPR的機制運用在哺乳類細胞基因的編輯、修改上,可以準確而有效的改變基因的特定序列,甚至可以一次同時改變多個不同的基因。不過,這項技術也引發了專利權爭議。2017年底,這項DNA科技已被利用在人類胚胎細胞的基因編輯上。隨著這樣的發展趨勢,周成功教授最後問大家:當我們面對這項將來會無所不在的新興科技革命時,能有什麼樣的省思?

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本文整理自:107/4/28由周成功老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「來自細菌的智慧:DNA科技的革命」演講內容。

 

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