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
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。