不是書評(18)《基因編輯大革命》A CRACK IN CREATION: CRISPR 如何改寫基因密碼、掌控演化、影響生命的未來

A CRACK IN CREATION: Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution — Jennifer A. Doudna, Samuel H. Sternberg

不是書評已般家了

簡介

CRISPR原源自細菌的一種免疫系統，科學家利用這種系統變成一種非常有效率的基因編輯工具，現在幾乎可以用CRISPR技術來編輯每一種生物的基因。

作者 Jennifer Doudna 因為基因編輯的成就於2020 年獲得諾貝爾化學獎，本書Jennifer 以半自傳的方式詳述了CRISPR基因編輯科技的來龍去脈和應用，也分享了自己對基因編輯一些受爭議方面的見解以及未來的展望和隱憂。

閱讀筆記

基因組、DNA 、RNA、基因、染色體

DNA 、基因、染色體、基因組這幾個重要的術語經常使人混淆，釐清這些定義對閱讀這主題非常重要。

• 基因體（genome）是指在細胞內部的整套遺傳指令。在任何一個生物體內，基因體會告訴生物體要如何成長，如何維持生命，如何將基因傳遞給後代。
• DNA（deoxyribonucleic acid, 脫氧核糖糖）是一條長長的雙螺旋（double helix）結構分子，包含在細胞核內。DNA由四個鹼基(Nucleobase)所組成，分別被簡稱為A、G、C、T。雙螺旋由其中一對叫鹼基連接。人類基因體包括約三十二億個DNA鹼基對。
• 基因 （Gene） — 基因是DNA其中一段有特定功能的章節，是遺傳基本單位。基因代表了一組遺傳指令，指導身體細胞如何組合不同的蛋白質，然後蛋白質再去執行體內大部分的關鍵功能，如分解食物、識別並摧毀病原體，以及感應光線等等。人類基因體約有21,000個蛋白質編碼基因。
• RNA（ribonucleic acid, 核糖核酸）是把DNA指令轉變成蛋白質的中介分子。RNA分子是以DNA為模版，細胞利用一段段DNA（基因）產生的RNA長鏈分子（轉錄過程）。RNA構建一個個的胺基酸，而胺基酸正是蛋白質的結構單元。RNA好比是信差，將訊息從儲存DNA的細胞核傳遞到細胞核外，在那裡製造蛋白質。
• 染色體 （Chromosome） — DNA平時是散亂分佈在細胞核中，但當細胞要準備分裂時，DNA便會與蛋白質結合形成染色體。人類基因體是由二十三條稱為染色體的不同片段所組成，分別來自父母雙方，每條約包含長度五千萬到兩億五千萬的DNA字母。

CRISPR

CRISPR源自細菌的一種免疫系統，一項讓微生物抵抗病毒的適應措施。

自然界中細菌也會受病毒感染。細菌病毒的數量約是細菌的十倍之多。病毒每秒在地球上約可造成一兆兆次的感染，光是在海洋中，每天大約有40％的細菌因為致命的噬菌體感染而死亡。一旦病毒基因體進入細菌細胞內，會把DNA注入細菌細胞，指導細菌來製造病毒自身的蛋白，並複製許多套病毒的基因體，直到細菌細胞因為壓力而猛烈爆開，讓新生成的噬菌體四散開來，感染相鄰細菌。

CRISPR （ clustered regularly interspaced short palindromic repeat ） 是細菌DNA上的一段區域，允許細菌基因體在遭病毒感染的過程中竊取噬菌體的DNA片段，加到CRISPR區段上，然後細菌細胞會將整個CRISPR陣列轉換成一長條RNA鏈，這條長鏈可以跟原本DNA序列上的字母逐字配對，然後修剪成長度一致的RNA短鏈，每一條RNA分子都含有來自一特定病毒的序列。Cas9是一種蛋白酵素，可以標定和切割任何配對DNA序列。當細菌再次遭病毒感染時，RNA分子會和病毒的DNA進行配對，若配對成功會把Cas9引導到DNA分子長鏈上確切的位點，切割和摧毀那些入侵的同種病毒DNA。

利用CRISPR 編輯基因

如果細菌可以控制Cas9蛋白質來切割特定的病毒DNA序列，那麼科學家同樣可以編寫程式控制Cas9來切割其他非病毒的DNA序列。

舉例， 鐮形血球貧血症(Sickle-cell anemia)是由DNA單一字母發生突變所引起的（ß球蛋白基因第十七個字母出了錯，由T變了A），因而破壞了紅血球輸送氧氣到全身的能力。

研究員便以CRISPR來標定和切割突變的ß球蛋白基因，在出錯的第十七個字母處進行逆反應，讓A變回正確的字母T。方法是把3樣物質注入從鐮形血球貧血症患者提取的細胞1）從細菌中取出的遺傳指令，用於產生Cas9蛋白質。2）衍生自CRISPR的嚮導RNA分子，設計成能夠尋找ß球蛋白基因上確切的突變位點。3) 正常ß球蛋白DNA序列的一段，在Cas9進入細胞並切割原本的基因後，細胞會以此當作替代品，來修補和修復基因。利用這樣的CRISPR-Cas9系統，來標記基因體中確定要切割並加以修復的部位，細胞之後便會以正確的序列來替換出錯的地方。

source: 中央研究院「研之有物」網站 https://research.sinica.edu.tw/gene-editing-crispr-lin-chia-hung/

CRISPR的應用

CRISPR這項技術幾乎可以編輯生物體的整個基因體，而且就像編輯文章的一個小段落那樣容易。只要知道特定表徵的遺傳密碼，科學家就可以利用CRISPR技術，在幾乎任何動植物的基因體中，進行插入、編輯或刪除相關基因的操作。這個過程比現有的其他基因操作技術要簡單得多，而且更為有效。應用例子包括﹕

• 利用CRISPR編輯山羊的基因體，使其生長出更多的肌肉（也就是產生更多的肉）和更長的毛(產生更多的喀什米爾羊絨纖維）
• 處理蚊子的基因體，希望最終能夠消除蚊子傳播的疾病，如瘧疾和茲卡病毒感染症等。
• 使用CRISPR來修復一些最具破壞性的遺傳疾病，諸如鐮形血球貧血症、血友病、囊腫纖維症和嚴重複合
• 型免疫缺乏症，而且可以預防未來人類的疾病。
• 提高稻米、高粱和小麥等農作物和其他植物物種上的生產力。種植增強防病蟲害能力的作物，讓農民在獲得高產量的同時，還能減少對有害的化學農藥和除草劑的依賴。
• 包含CRISPR在內的新技術，現在提供了方法，可以製造適合把器官移植給人類的豬隻。

CRISPR面對的挑戰、爭議和展望

• 脫靶效應 — CRISPR在現實中的精準度比論要低得多。 DNA 序列的匹配並不總是 100% 準確，有時 CRISPR 切割會出現大量意想不到的突變，這些脫靶效應都可能難以控制並可能致命。
• 對基因改造的不佧任- 雖然科學界幾乎一致認為基改食品與傳統方法生產的食品一樣安全。但仍有將近60％的美國人認為基改生物是不安全的。科學共識與民意之間出現分歧的情況非常讓人憂心。
• 有些人認為任何形式的基因操縱都罪大惡極，因為這有違大自然的神聖定律，背離生命尊嚴。
• 基因驅動（gene drive）是指將新基因及其相關表徵「驅送」到野生族群中，這是一種勢不可擋的一串連鎖反應。例如散播雌性不孕基因到瘧蚊族群中傳播。但是人們無法預測基因驅動可能對環境造成的所有影響，也不能完全降低消除基因驅動失控和擾亂生態系微妙平衡的可能性。
• 編輯生殖細胞(germ cell)是將CRISPR送到處於發育最初階段的胚胎中，在單一細胞內逆轉突變。隨著胚胎發育為成體，經過修復的DNA會完好如實的複製到每個子細胞中，包括最終將基因體傳遞給後代的生殖細胞。但在人類身上的應用則會帶來重大的安全問題和道德挑戰。我們應當操縱尚未出生的個體的基因體，以一種不容易逆轉的方式，來調整智人這個物種的基因庫嗎？