人體基因編輯是在編什麼？5分鐘搞懂基因神剪CRISPR

2018年11月，中國基因編輯寶寶引起舉世嘩然！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。

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，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行。當DNA的重要位置發生突變，「細胞工廠」運行會失控，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「粘貼」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）、刪調試字（剪切突變基因）、補上正確的字（粘貼正確基因）。

所以首先，必需要有一把精準、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。

細菌里的基因剪刀

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串列，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，科學家把這段串列稱為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識別、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、夠准，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串列（增加一段Spacer），就像為病毒創建「罪犯資料庫」。當病毒第二次入侵，細菌就能依靠CRISPR串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會剪切病毒的一段DNA，插在自己的基因組上，就好像為病毒創建「罪犯資料庫」。

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（嫌犯數據），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。

基因神剪CRISPR

這麼基礎的細菌免疫學，跟基因編輯有什麼關係呢？想想，基因編輯的關鍵是：找到一把可以切開DNA，又不會隨便亂剪的分子級剪刀。細菌的Cas9酵素，憑著一段引導RNA，就能精準「喀擦」鎖定的DNA片段。好剪刀，不用嗎？

實務上的操作方法很簡單：先將Cas9做好、放入冰箱，想要剪某段DNA，就訂做一條互補的引導RNA。然後將Cas9解凍、與引導RNA結合，再用電擊的方式進入細胞，讓它去剪切錯誤的基因。

壞基因剪切來了，怎麼粘貼好的基因？因為細胞天生會自動修補受損的DNA，只要把正確的基因送進細胞核，就有機會被細胞拿來修補Cas9剪切的斷口，完成基因編輯！

基因編輯技術大躍進

CRISPR不是第一把基因剪刀。早在1990年代，科學家就開發了許多種能「剪開」DNA的酵素。每種酵素有自己的特殊結構，只能跟特定的DNA片段結合，藉此精準切割目標基因。只不過，如果研究者想剪開另一段DNA，即使串列只有一點點差異，也要花費兩三個月重新設計、組裝全新的酵素，技術複雜、耗時又花錢。

直到2012年，科學家找到CRISPR這把神剪！它不像過去的酵素剪刀：剪一種基因，設計組裝一把酵素剪刀。CRISPR從頭到尾只用一把萬能酵素剪刀Cas9，加上一條引導RNA，就能切割所有的DNA。目標基因換了，訂購一條RNA就好，不需要重新設計複雜的酵素，技術和價格門檻都非常低。

所以CRISPR一問世，立刻鋪天蓋地應用在細菌、真菌、動物、植物、人類醫學。2010年有關CRISPR的論文不到50篇，到了2015年，已暴增到1,100篇。

基因編輯治療免疫疾病

「既然CRISPR這麼好用，是不是可以終結所有的遺傳疾病了？」可惜的是，這把剪刀還有很多技術上的瓶頸，還不適合直接治療人體細胞。

「最重要的瓶頸之一：這把細菌的基因剪刀用在人體的DNA，不是百分百準確。」凌嘉鴻慎重提醒。

Cas9能辨認的串列是23個鹼基，但人體DNA鹼基串列有65億個，Cas9想要找到正確的串列，宛如大海撈針。

以統計學方法來算，要從65億個鹼基串列里找到一條獨一無二的串列，長度至少要28個，低於這個數字，找到的可能只是相似的串列，因此Cas9無法保證統統剪對位置。當Cas9切錯位置，可能造成難以想像的副作用。

「目前比較安全的做法，是先從病人體內取出細胞修改，確定沒問題再放回體內。」凌嘉鴻說。不過，大部分細胞、組織都不可能任意取出，只有隨時懸浮在血液中的免疫細胞，抽血就能取得。如果有人免疫細胞先天不足，可以先把它們取出體外，修改基因，例如把T細胞取出來，「教會」它們癌細胞長什麼樣子，再把「變聰明」的T細胞放回體內，找出癌細胞進行摧毀。

目前基因編輯還不適合直接編輯人體內的細胞，比較安全的做法是把細胞拿出，在體外編輯，例如：修正免疫細胞的基因，治療免疫疾病。

最近幾年，很多醫藥或癌症研究都轉向CRISPR，像中國很早就開始將CRISPR搭配免疫療法，美國、歐洲也漸漸跟上。CRISPR還可用在幹細胞，先從病人身體取出幹細胞，先在體外進行基因編輯，再放回體內分化成各種健康細胞，更是潛力無窮！

（首圖來源：shutterstock）

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