連王力宏也驚嘆的基因改造技術：CRISPR

長久以來，建立可靠、精準且便利的基因編輯技術來修改基因組(genome)一直是生醫界共同追求的目標。2013年，任教於麻省理工學院的張峰(Zhang Feng)在《Science》發表CRISPR/Cas9技術的研究成果，並於隔年被《Nature》雜誌評選為年度十大科學人物，獲得「DNA編輯大師」的稱號，目前為諾貝爾獎呼聲最高的候選人之一。

CRISPR 三十年磨一劍

這個驚艷科學界的技術非一朝一夕產生，而是近三十年來不斷發現、摸索的結晶。時光拉回西元1987年，科學家在腸道大腸桿菌中發現一段名為iap的基因，定序後發現在iap附近有五段由29個鹼基所構成的重複序列，中間各夾著一段獨特的隨機序列，稱為spacer。當時的科學家對於這段猶如三明治排列的基因一點頭緒也沒有，只能聳肩寫道「此段序列的生物意義仍未明」。直到2002年，另一群來自荷蘭的科學家將這段三明治般的序列命名為“clustered regularly interspaced short palindromic repeats”(CRISPR)，他們進一步發現這段序列總是伴隨著一群特定的基因，並將其命名為CRISPR-associated genes(Cas)，Cas基因的產物具有核酸內切酶的活性，能夠裁切DNA。然而，當時並沒有人知道Cas基因存在的意義，亦不知其為何總是圍繞在CRISPR附近。三年後，同時有三個不同的研究團隊皆發現了CRISPR spacer序列的重大秘密－他們與病毒的DNA具有高度的相似性。在此之後，相關的謎團終於撥雲見日！

2007年，R. Barrangou證實CRISPR/Cas系統為細菌抵禦外來病毒入侵的武器之一，且具有「專一性防禦」的特性。當細菌遭受外來病毒攻擊時，具有核酸內切酶活性的Cas會將病毒DNA切割並插入細菌本身的基因組（即為上述的spacer），spacer的序列相當於病毒的「犯罪紀錄」，細菌用它來「記憶」曾經攻擊過自己的病毒。當同樣的病毒再度入侵時，細菌便會利用CRISPR所轉錄的一段特別RNA，簡稱為CRISPR RNA(crRNA)、或由和crRNA互補的trans-activating crRNA (tracrRNA)來比對並輔助尋找病毒DNA，若發現其序列和某段spacer相同，則表示細菌曾遭受該病毒攻擊，Cas核酸酶隨即剪斷此病毒的DNA，使其失去攻擊細菌的能力。

從理論到應用

張峰研究團隊可說是CRISPR擴展到基因工程的集大成，利用Cas 9核酸酶和crRNA成功在小鼠及人類全基因組(whole genome)上的特定位點進行裁切，精準目標鏈斷裂。來自原核生物的CRISPR/Cas9系統成功在哺乳動物細胞的全基因組完成敲除篩選，可說是跨時代的突破、近乎瘋狂的生物革命。

優勢與展望

其實早在CRISPR/Cas9發表前就有其他基因編輯技術，它為何能掀起軒然大波、成為科學界新寵兒呢？

相較於以往的基因剔除技術如zinc-finger nuclease (ZFN)及transcription-activator-like effector nuclease (TALENs)，CRISPR不僅結果準確、價格便宜、操作簡單，且可廣泛應用於任何原核、真核細胞；更重要的是，CRISPR可用於多個基因(multiplex)的編修，而ZFN及TALENs只能在每次實驗中改變一個基因，應用範圍受限。有鑒於CRISPR技術的突破及上述優點，大批資金逐漸湧入欲將CRISPR商業化的公司，刺激無數新藥開發和疾病治療的進展，期望能找到癌症、愛滋海默症到愛滋病的解方，基因療法儼然成為未來醫學發展的趨勢。根據英國生技公司Horizon Discovery Group首次公開募股的文件中指出，CRISPR/Cas9可能為其帶來的商機高達460億美元，也難怪各方人馬無不使出混身解數證明自己是CRISPR/Cas9的首位發現者，專利爭奪戰火不休。

撼動生技業的技術

因應未來的無限商機，張峰已和夥伴Jennifer Doudna聯手創立Editas Medicine，目標在2017年開始評估CRISPR治療因基因缺陷而引發失明的罕見疾病之效果。值得一提的是，軟體巨頭比爾蓋茲也看好此技術的發展，參與了Editas Medicine的募資。無獨有偶，另一家名為CRISPR Therapeutics的公司，也獲得德國製藥巨擘拜耳 (Bayer) 為期五年至少3億美元的投資 (約100億台幣)，CRISPR Therapeutics創辦人之一的NovaK表示: 「在不遠的將來，希望將此技術運用到臨床醫學上，進行人體試驗 。」。

福音或是危機？

藉由編輯人類生殖細胞控制遺傳已非天方夜譚；就在去年4月，中國科學家坦言正在修改人類胚胎基因組，雖然CRISPR的技術極有可能為醫學帶來革命性的進步、拯救因病而苦的芸芸眾生，卻也因它在應用上的低難度令倫理學家擔心未來若是過度或不當使用，會對於人類社會、農業甚至環境造成負面的影響。儘管評價兩極，不可否認的是CRISPR的確為生物界帶來巨大的影響，若世人能因此更健康、長壽，甚至得到更好的生活品質，它的進步理當被肯定。

Reference

1. Quanta Magazine
2. 商周財富網
3. 台灣實驗室網
4. 科技新報
5. 科技部高瞻自然科學教學資源平台
6. The China Press
7. 科學人雜誌
8. Current Opinion in Virology 2015, 12:85–90
9. 香港矽谷