【CRISPR baby 系列之一】露露和娜娜,願你們一定要平安又健康的長大

■我想,到了很多年很多年之後,2018 年的十一月,都會讓人記得。這個月,一對雙胞胎女嬰,被這時候的我們喚名為露露跟娜娜。因為一個科學臨床試驗,她們的遺傳基因被竄改,就這樣像白老鼠一樣,呱呱墜了地。親愛的露露和娜娜,歷史無法被改寫,但希望這宇宙裡的仁厚,這世間裡為你們不平、不捨的每份心意,都能讓送子鳥一起帶到你們身邊,讓你們接下來的一生,健康又平安

圖片來源:UCSF

撰文|駱宛琳

賀建奎,年三十四,留職停薪中國南方科技大學副教授,在 2018 年十一月的最後一個週末,震撼了全球社會與科學界。賀先生做了什麼?他利用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術,竄寫了人類胚胎基因體序列。他不是為了治療罕見的、讓人束手無策的遺傳性疾病,他說他想要讓人類免於 HIV 病毒。他覺得露露和娜娜的爸爸是 HIV 帶原者很可憐,想要給受挫於類似情況的爸爸們一個希望。於是,他領頭了一組臨床實驗計畫,意在利用基因編輯技術,讓這些家庭的後代,能夠有個「免疫」於 HIV 病毒感染的孩子。

他把這臨床實驗計畫定調為研發出能夠對抗 HIV 病毒的「疫苗」,只是以讓全球科學家欲哭無淚、疫苗之父金納博士能從墳墓裡跳起來的手段,來達成他的實驗目的。他覺得,既然大家都說 HIV 病毒感染免疫細胞 T 細胞,而且 HIV 病毒得靠細胞表面的受體 CCR5 進入細胞,那就利用基因編輯技術,製造出全身上下每一個細胞都沒有辦法表現 CCR5 蛋白質的人類;那這個新人類,不是就終其一生都不用害怕被 HIV 病毒感染了嗎?

這論點的錯,多層次到連我最愛的抹茶千層蛋糕都要甘拜下風。什麼是疫苗?疫苗有點像是特別寫給免疫系統看,好讓免疫系統能夠對付大千世界裡,某些能夠引起嚴重傳染病的微生物的小抄。免疫系統初見致病微生物入侵的時候,像是初次上戰場的小兵,反應有點憨、動作有點慢;但這些小兵並不傻,有了第一次殺敵經驗之後,下次再看到同樣的致病微生物,免疫細胞就能夠既快速又神力無法擋、制伏入侵的外來微生物。而疫苗就像是戰情情報室裡的重要軍情,讓免疫細胞先跟這些經過特殊處理過的外來微生物打個照面,防衛演習一下;下次再真槍實彈冤家碰頭的時候,免疫系統就知道應該如何為個體提供絕佳防禦了。

CRISPR/Cas9 基因編輯技術的研發,最初也的確是受到細菌免疫系統的啟迪,但卻跟疫苗是完全搭不上邊。細菌與古細菌為了防禦噬菌體一而再地入侵,會把曾經入侵過的噬菌體 DNA 片段序列收集起來,編列成冊,像是為每一種噬菌體都裝了特殊的紅外線感測器。噬菌體只要入侵過就會留下痕跡;當噬菌體再次入侵時,就會警報大響。Cas 蛋白質就會發動其身為 DNA 核酸內切酶的本性,將入侵的噬菌體 DNA 分解掉。Cas 蛋白像是愛德華剪刀手。而那些被細菌留起來的噬菌體 DNA 片段,在被轉錄成 crRNA 之後,像是可以裝在 Cas 蛋白質上的 GPS 定位系統,能夠幫助 Cas 蛋白質找到需要大剪刀喀嚓、好進行基因編輯的 DNA 位置。

科學家在發現細菌利用噬菌體花名冊的方式,來讓 Cas 蛋白執行「DNA 大斷裂」任務時,就想到是不是可以藉著類似的方法,把科學家想要更動的基因序列也依樣畫葫蘆地編輯成冊,讓 Cas 蛋白去破壞該段序列。Cas 蛋白根據細菌種類不同,有許多種。最常被使用於哺乳類動物與細胞基因編輯的是 Cas9 蛋白。

細菌藉由 Cas 蛋白殺噬菌體於無形,科學家倒不希望 Cas9 蛋白如此狠絕,而是希望當 Cas9 蛋白的大剪刀在想要修正的 DNA  序列上喀嚓之後,哺乳類動物細胞能夠啟動 DNA 修復機制,將斷裂的 DNA 再好好縫補起來。而在縫補過程裡,也提供科學家「駭」進基因序列的機會。如果,這時候科學家能夠給予該哺乳類細胞一段 DNA 序列作為「模板」,哺乳類細胞就能夠比照模板上的花色,拼補出科學家想要的 DNA 序列模樣。如果沒有提供額外的 DNA 修復模板,那出來的成品就會像是用宇宙的骰子隨機決定基因修補機制的下針處,成品上的針腳落點是五花八門,各有千秋。但,如此修補出來的 DNA,十有八九都無法表現出具有正常功能的蛋白質。利用 CRISPR/Cas9 來進行基因編輯的相關研究頗多,大多數的研究都希望能夠為嚴重的遺傳性疾病,提供一線生機。

但賀建奎有興趣的是後天免疫不全症候群。後天免疫不全症候群肇因於 HIV 病毒的感染;HIV 病毒嗜 CD4 T 細胞,在感染的過程中,除了 CD4,還需要另一個 CCR5 蛋白的幫助(但也有利用 CXCR4 的 HIV 病毒)。CCR5 是個滿身故事的基因。在人類群裡,被發現的 CCR5 基因多樣性不少,而其中有一個多樣性 CCR5Δ32 更是眾所矚目的焦點。如果兩組 CCR5 基因「都」帶有 CCR5Δ32, 這些人因為 CD4 T 細胞上無法表現有功能的蛋白,對 HIV 病毒的抵抗力比較高。但這群人也不是對需要 CCR5 的 HIV 病毒絕對免疫、對於需要 CXCR4 的病毒更是完全沒轍。同時帶有兩組 CCR5Δ32 基因的人極少,在歐美大約只有 1 %,在非洲、亞洲人裡更是沒有被發現過。

賀建奎打算把 CCR5 這組基因突變為像是 CCR5Δ32 的樣子,讓 CCR5 蛋白無法表現,藉此阻撓 HIV 病毒的感染。在賀建奎所負責的這起臨床試驗裡,他招募了八對夫妻,爸爸皆感染 HIV 病毒,但媽媽都健康、沒有被感染紀錄。

賀建奎領頭的臨床實驗,並不是為了保護胚胎在懷孕過程中不被 HIV 病毒感染。在試驗過程中,在進行體外人工受孕之前,爸爸的精子已經經過精子洗滌(sperm wash),而這道步驟已一而再、再而三的被驗證,足以保護胎兒免受 HIV 病毒感染的威脅。賀建奎的目標,是利用基因編輯技術,讓這些寶寶日後不會有被 HIV 病毒感染的可能。

在臨床實驗過程中,以體外人工受精技術為本,賀建奎的研究團隊可以在精卵受精時,將 Cas9 蛋白先和其相關零件(例如:可以幫助 Cas9 找到 CCR5 基因的 crRNA)組合起來後,利用顯微注射技術,注射到受精卵內。在試驗過程中,一對夫妻中途退出。在賀建奎演講的時候,表示總共有 31 個胚胎發育至囊胚;其中,約七成的胚胎,其基因有被編輯過的痕跡。後來,Nature 期刊在賀建奎演講之後,和其發言人聯繫,發言人表示在此試驗裡,總共有 22 個胚胎,其中 16 個胚胎健康、且基因序列有被成功編輯。而在這些胚胎裡,露露與娜娜的母親總共有四個胚胎,其中兩個基因序列被成功編輯(但其中一個胚胎仍帶有完整、正常的 CCR5 基因序列)。這兩個胚胎被植入、最終誕生了露露與娜娜這對雙胞胎。另外,還有一位媽媽懷孕中,但因為還在極為初期的階段,所以還無法確認是不是還有下一個基因寶寶。

在賀建奎的演講中,他強調兩位寶寶都十分「健康」。但果真如此嗎?

CRISPR/Cas9 啟動基因編輯的效率雖高,但問題也不少。目前最讓科學家頭痛的有兩大問題。其一,是找到問題基因的正確位置。Cas9 基本上就是個路癡,靠著 20 bp 長度的 crRNA 按圖索驥,去找到跟那 20 bp 序列「吻合度夠高」的基因片段。但就像「永和有永和路,中和也有永和路,中和有中和路,永和也有中和路」一樣,當 Cas9 在按圖索驥、尋尋覓覓的過程裡,難保不被繞昏了頭,眼睛一花就識 DNA 不明。而且,科學家也的確發現,Cas9 並不是個完美偏執狂,它一點也沒有在追求下刀處的 DNA 序列必須跟 crRNA 序列百分百吻合,而這,也就是「脫靶效應」(off-target effect)的隱憂源頭。

第二個問題,是 DNA 修補過程畢竟還是得「看天意」。雖然,大部分的基因編輯實驗,都選在受精卵還是一個細胞的時候,利用顯微注射法將組裝好的 Cas9 蛋白與相關「零件」(像是 crRNA、tracrRNA)以及 DNA 修復模板注射到受精卵內。但受精卵畢竟也有自己一變二、二變四、四變八的分裂進度。Cas9 蛋白是不是可以搶在細胞分裂開始前,將 DNA 雙股斷裂,並讓細胞內的 DNA 修復機制完成其基因編輯工作,還真的是個得看老天爺眼色的事。CRISPR/Cas9 可以完成工作,但要保證所出成品裡,每一個細胞都一模一樣,實在也是強其所難。不論是利用人類細胞、或是小鼠細胞,都發現這機率是微乎其微。大部分的胚胎細胞都各自鑲嵌了許多不同的突變,這也就是嵌合突變(mosaic mutations)。在這兩大問題解決前,CRISPR/Cas9 之於遺傳性疾病,在臨床應用上還是徒有願景。

賀建奎找到對付 CRISPR/Cas9 這兩大問題的方法了嗎?沒有。

首先,在他演講中所公布的實驗數據來看,沒有一個寶寶的基因變成像 CCR5Δ32 一樣。但這似乎也是想必如此的事。因為,在顯微注射過程中,賀建奎的研究團隊並沒有提供基因修復的模板,讓胚胎時期的露露與娜娜受精卵,能夠依照著模板來依樣畫葫蘆的修復基因序列成為 CCR5Δ32 的編碼序列。

而這「一剪刀下去、之後全憑天意」的結果,讓露露和娜娜體內細胞的基因序列都有嵌合突變的問題。「一般認為」(因為在演講中,寶寶和相對基因在前後投影片的標示並不統一),露露體內有 4 bp 鹼基對的短少、與額外多 1 bp 兩種基因編輯造成的突變。而娜娜的情況更讓人皺眉,娜娜不但體內某些 DNA 還帶有完整的 CCR5 正常基因序列,另外檢驗出來的突變只是短少 15 bp 鹼基對,讓娜娜的變異 CCR5 蛋白只是比正常蛋白少了 5 個胺基酸,之後序列與正常蛋白無異。而這短少的 5 個胺基酸是不是足以造成 CCR5 蛋白質結構上的破壞,不但尚未可知,就算變異 CCR5 蛋白的表現的確受到影響,那其他正常的 CCR5 基因序列,還是可以製造出正常功能的蛋白質。

另外,在懷孕中的基因定序,檢驗出娜娜體內 DNA 可能有另一段區域,也被 Cas9 蛋白編輯過。雖然此一潛在的脫靶效應並不位於已知的、有功能的基因處,並且在娜娜出生之後的首次基因定序裡,也沒有再次發現,但鑑於目前基因定序上的技術仍然有其限制,對於脫靶效應的潛在副作用,是不是也應該更謹慎小心呢?

在賀建奎的演講裡,屢遭質問的一點也是,既然已知娜娜的基因編輯不甚成功,為什麼還是執意要把娜娜的胚胎植入呢?賀建奎對此表示,團隊有跟娜娜的母親討論過,是其母親所做的決定。但,就像在場科學家的疑問:如果什麼都推給了娜娜母親所做的決定,那,身為一個科學家的責任在哪裡呢?

這也是為什麼當賀建奎在第二屆人類基因編輯學術高峰會上的演講之後,讓人更加難過,也無助於平息輿論的原因之一。而且,自從新聞爆發之後,和這起臨床試驗相關的倫理審查負面消息就不曾停過。除此之外,許多聲音也都要求賀建奎應該把實驗結果投稿到期刊,以讓同領域專家能夠對實驗數據加以審查(但出包的臨床試驗倫理審查也會是一大阻礙;但賀建奎表示已經投稿),或是,是不是應該將預印本(preprint)放到像是 Biorxiv 的資料庫平台上。以諾貝爾得主 David Baltimore 為首的聲音也呼籲,應該要讓另一個獨立的第三方機構,有機會可以檢查露露與娜娜的相關研究數據與健康情況,確認小孩健康無虞、以及相關檢驗結果沒有錯誤。

賀建奎為什麼看上了 CCR5 這個基因?露露和娜娜體內被編輯過的基因,真能夠像 CCR5Δ32 一樣提供她們些許免於後天免疫不全症的保護嗎?(對娜娜來說,應該是確定不行)。所謂事無十全,對於比較能夠免疫於 HIV 病毒感染的個體,難道就沒有其他健康上的代價嗎?讓我們在下一篇一起來仔細看看吧。

 

原始報導: 

賀建奎本來先將基因編輯寶寶的消息透露給 Associated Press 記者:Marilynn Marchione. Chinese researcher claims first gene-edited babies. Associated Press. Nov 26, 2018. 

 後來,MIT Technology Review 負責生醫領域的編輯,耳聞了賀建逵的研究結果而搶先一步將基因編輯寶寶的新聞披露:Antonio Regalado. EXCLUSIVE: Chinese scientists are creating CRISPR babies. MIT Technology Review. Nov 25, 2018. 

賀建奎的演講錄影與演講後討論(從1:06:59 左右開始,約二十分鐘的演講,與四十分鐘的討論)

賀建奎的演講投影片 

賀建奎的演講逐字稿:(由 Bryan Bishop 所整理)

參考資料: 

  1. Dennis Normile. Researcher who created CRISPR twins defends his work but leaves many questions unanswered. Science. Nov 28, 2018. https://www.sciencemag.org/news/2018/11/researcher-who-created-crispr-twins-defends-his-work-leaves-many-questions-unanswered
  2. Jon Cohen. Ethics aside, does the CRISPR baby experiment make scientific sense? Science. Nov 28, 2018. https://www.sciencemag.org/news/2018/11/ethics-aside-does-crispr-baby-experiment-make-scientific-sense
  3. Derek Lowe. After Such Knowledge. Nov 28, 2018. https://blogs.sciencemag.org/pipeline/archives/2018/11/28/after-such-knowledge?fbclid=IwAR18RYtJhfItRKeNgte0zSgOwY9T74OdbmBeVjLpYsLlyhQcyRP_NQg2lOU
  4. David Cyranoski. CRISPR-baby scientist fails to satisfy critics. https://www.nature.com/articles/d41586-018-07573-w
  5. Sharon Begley. Amid uproar, Chinese scientist defends creating gene-edited babies. STAT. Nov 28, 2018. https://www.statnews.com/2018/11/28/chinese-scientist-defends-creating-gene-edited-babies/
  6. Akshat Rathi. The Crispr baby news was carefully orchestrated PR—until it all went wrong. https://qz.com/1474814/the-cripsr-baby-news-was-carefully-orchestrated-pr-until-it-all-went-wrong/
  7. 賽先生. 300 餘位學者聯名:十問賀建奎. Nov 30, 2018. http://m.zhishifenzi.com/depth/depth/4711.html?from=singlemessage&isappinstalled=0&fbclid=IwAR0fSEmg40viRVYdMjjy3QqV_q6A4mDWbTRBTT8u1bIFycbz8bR-TzgkKn0

 

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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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