CRISPR 的原理與應用

2018 年 11 月,中國基因編輯寶寶引起舉世譁然!這個事件的前因,要追溯到 2012 年橫空出世的基因剪刀 CRISPR,讓人類從此可精準、快速、便宜的編輯 DNA。但這把剪刀目前還有技術瓶頸,只適合治療可拿出體外的免疫細胞。我們邀請中研院生物化學研究所、專研 CRISPR 的凌嘉鴻助研究員,介紹這項正在翻轉世界的基因神器。

 

編輯人體基因,就是修改人體 DNA,主要動機是根治基因突變引發的疾病。

「但是瑞凡,我們真的需要基因編輯來治病嗎?」

事情是這樣的:DNA 是生命的藍圖,指揮細胞生產蛋白質,維持人體的生長與運作。當 DNA 的重要位置發生突變,「細胞工廠」運作會失控,就可能造成生理失調,甚至像白血病等重大遺傳疾病。

「生病了,可以吃藥。但基因突變造成的疾病,藥物只能控制病情。」凌嘉鴻繼續解釋:「因為從藍圖就錯了,細胞永遠只能製造錯誤的蛋白質。想要根治,最好直接更正藍圖,修改 DNA。」

基因編輯,可以從源頭下手,找到錯誤的 DNA 片段,用一把分子「剪刀」切開,剔除這個錯誤的基因,或是在缺口處「貼上」正確的 DNA 片段。

 

過去基因突變引發的疾病,藥物無法根治,必須終身吃藥。現代的基因編輯技術,可以徹底根治基因缺陷,就像用文書軟體修改錯誤一樣:找到錯字 (發現突變基因)、刪除錯字 (剪下突變基因)、補上正確的字 (貼上正確基因)。圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

過去基因突變引發的疾病,藥物無法根治,必須終身吃藥。現代的基因編輯技術,可以徹底根治基因缺陷,就像用文書軟體修改錯誤一樣:找到錯字 (發現突變基因)、刪除錯字 (剪下突變基因)、補上正確的字 (貼上正確基因)。 圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

 

所以首先,必須要有一把精準、能夠剪開 DNA 雙螺旋的好剪刀,CRISPR 就是當前最好用的一把。有趣的是,它來自細菌的免疫系統。

 

 細菌裡的基因剪刀

1987 年,日本科學家在大腸桿菌的基因體發現一段古怪的規律序列,某一小段 DNA (Repeat) 會一直重複,重複片段之間又有一樣長的間隔 (Spacer),用途不明,科學家把這段序列叫做 CRISPR (clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats)。後來發現,許多細菌都有 CRISPR,它是細菌免疫系統的一種機制,可以記憶曾經來犯的病毒。

想不到,這個看似不起眼的 DNA 片段,將會引爆基因編輯的大狂潮!

故事是這麼開始的:當病毒入侵細菌,會把自己的 DNA 注入到細菌中,企圖霸佔細菌工廠的資源,複製新病毒。但細菌也不會乖乖挨打,它們的免疫系統可以辨識、摧毀病毒的 DNA。這是一場微觀世界的閃電戰,細菌的反擊必須夠快、夠準,才有機會存活!

有些細菌僥倖存活後,會挑選一段病毒的 DNA 碎片,插入自己的 CRISPR 序列 (增加一段 Spacer),就像為病毒建立「罪犯資料庫」。當病毒第二次入侵,細菌就能依靠 CRISPR 序列快速認出這種病毒,第一時間反殺,提高存活率。

細菌遇到病毒入侵,細菌的 Cas9 會剪下病毒的一段 DNA,插在自己的基因組上,就好像為病毒建立「罪犯資料庫」。圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

細菌遇到病毒入侵,細菌的 Cas9 會剪下病毒的一段 DNA,插在自己的基因組上,就好像為病毒建立「罪犯資料庫」。 圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

 

細菌是如何認出病毒的呢?首先,細菌會用舊病毒的 DNA 片段 (Spacer) 當模板,打造一條互補的引導 RNA,例如病毒 DNA 的鹼基是 T、RNA 是 A,DNA 是 G、RNA 是 C,或是互相顛倒。引導 RNA 再利用這種互補關係,比對新病毒 DNA 片段,如果可以互補,表示新舊病毒相同。

然後,一種可以切割 DNA 的酵素 Cas9 (武裝警察),會抓著這段引導 RNA (嫌犯資料),前去「盤查」新病毒的 DNA,看看有沒有跟引導 RNA 互補的段落。這一次反過來,RNA 是 A,DNA 是 T;RNA 是 C,DNA 是 G,或是互相顛倒。

一旦找到了,Cas9 立刻剪開「被認出」的 DNA 片段。DNA 被剪斷摧毀,病毒就沒戲唱了。這種細菌的免疫機制,稱為 CRISPR-Cas9。

 

 

要看更完整的精采文章,請至研之有物官網:

http://research.sinica.edu.tw/gene-editing-crispr-lin-chia-hung/

(趕快點進來喔!還有更多精采圖文!)