堪稱造物主再世的生物編輯技術 - CRISPR 與 RNA 基因編輯

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基因線上票選 2021 年度精選 3 大技術,主題涵蓋 mRNA 技術基因編輯、以及細胞療法。本篇介紹生醫領域備受矚目的 CRISPR、RNA 基因編輯技術,不但帶來根治罕見疾病 ATTR 的一線曙光,也將持續擴展全球基因治療市場。

CRISPR 基因編輯技術再升級,縮小編輯蛋白體積、提高編輯的精準度

透過人體內原本的 PEG10 蛋白提高 RNA 運送效率、宛如魔術地將大體積的 Cas13  編輯蛋白裝載進腺病毒、來自古菌的迷你編輯蛋白,以及 RNA 編輯,保持低脫靶效應的同時,大大提升的編輯的精準度。

雖然諾貝爾獎的桂冠尚未青睞麻省理工學院的張鋒教授,但他在基因編輯技術 CRISPR 的重要成就,屢屢獲得國際期刊的肯定。張鋒研究團隊 8 月 20 日發表於《Nature》研究,提出了一項傳送 RNA 分子的新技術- SEND (Selective Endogenous eNcapsidation for cellular Delivery),透過名為 PEG10 的保護蛋白包覆 mRNA ,並將能辨識的 mRNA 序列標記在目標 mRNA 上並以細胞融合蛋白(fusogen)修飾,使 RNA 能夠和目標基因更精準結合。

重要的是, PEG10 為人體本身存在的蛋白,不易引發免疫反應,可提高 RNA運送效率。另一項宛如魔術般的研究成果則是發現了特殊的編輯蛋白 Cas13bt,小巧的體積能夠裝載進腺相關病毒,再順利傳送進入生物體內。將 Cas13 蛋白應用於 RNA 編輯不但能維持 RNA 編輯的低脫靶效應,未來在 RNA 療法領域也能作為給藥的傳遞工具。

延伸閱讀:基因剪刀 CRISPR 並非萬能!臨床應用仍有困境

改良的 CasMINI 編輯系統

史丹佛大學(Standford University)團隊則提出改良的 CasMINI 編輯系統,與一般 CRISPR 系統中 Cas9 或 Cas12a 相比, CasMINI 的胺基酸序列長度縮短了一半,更能精準傳送至目標細胞。

CasMINI 運用的編輯蛋白 Cas12f(Cas 14)是從古菌(archaea)中分離出來的,該研究團隊透過電腦預測結合生物工程改造,選定改造位點,並且會將所帶有的綠色螢光蛋白(green fluorescent protein, GFP)嵌入目標細胞。

研究解果顯示, Cas12f 編輯蛋白與 CRISPR 常運用的 Cas12a 的編輯效率相當,也改良單股導引 RNA(single-guide RNA)的設計,能執行高精準度編輯並維持低脫靶效應。

CasMINI 與 Cas13b 皆可裝載進腺相關病毒載體(adeno-associated virus, AAV),具有體積小、高精準編輯度的優勢,此外, CasMINI mRNA 也裝進奈米脂質顆粒中傳遞,對於mRNA 疫苗或其他 RNA 技術的研發具有相當應用性。

根治 ATTR 的一線曙光

今年 6 月, Intellia Therapeutics 與再生元 ( Regeneron Pharmaceuticlas )宣布完成全球第一個利用基因編輯技術 CRISPR 的人體內臨床試驗。該項第一期臨床試驗以 NTLA-2001 治療 ATTR (遺傳性轉甲狀腺素澱粉樣病變)患者體內的致病蛋白質-錯誤折疊的轉甲狀腺素(TTR),結果顯示 NTLA-2001 大幅降低病患體內異常沈澱的 TTR 蛋白濃度,研究成果發表於《The New England Journal of Medicine》。

目前遺傳性 ATTR 最普遍的療法為原位肝臟移植,其他用藥方面有 ATTR 的標準治療- Alnylam 的 Onpattro ( FDA 批准的第一個 RNAi 療法) , Ionis 的反義寡核苷酸抑制劑 (antisense oligonucleotide inhibitor)Tegsedi ;而輝瑞的 Vyndaqel 和 Vyndamax適用於 ATTR- CM( 由上述 TTR 基因突變引起) ,但皆需透過長期給藥,才可維持患者體內低濃度 TTR。 

 NTLA-2001 療法運用 CRISPR-Cas9 的基因編輯技術為基礎,讓突變的 TTR 基因失效 ,直接將基因編輯的治療輸送至病患肝臟,藉此降低患者體內 TTR 蛋白濃度。若 NTLA-2001 獲核准,它將會成為第一個可根治 ATTR 的基因療法。

多虧了新冠疫情,打響了 RNA的名號

RNA Editing vs. CRISPR

說起 RNA 編輯與 CRISPR 的比較, CRISPR 運用的編輯蛋白 Cas9 來自於細菌,而且大部分 CRISPR 技術仍只能在體外進行。相較之下,RNA 編輯蛋白 ADAR( Adenosine deaminases acting on RNA)天然存在許多生物體中,這意味著不需要外來切割蛋白的輔助之下就能執行 RNA 編輯的功能,這項特質也使得 RNA 編輯在相關療法的核准上更有優勢。

CRISPR 的另一個劣勢為存在著脫靶效應(off-target)的隱憂,儘管 RNA 編輯也不能完全避免這個現象,但它不像 DNA 編輯會對基因組產生永久更動的嚴重影響。另外相較 DNA 編輯在分化初期的細胞較有效, RNA 編輯更適合在分裂期後(post-mitotic)細胞中作用,例如再生能力差的神經細胞。

RNA 編輯勝出 DNA 基因治療的另一點,是能夠動態調節基因表現。過往基因治療以組織、器官為單位,要調節單一基因表現難度很高,RNA 編輯則能夠做到更彈性調節基因,也不用擔心基因過度表現(over-expression)或低度表現(under-expression)。

然而,RNA 編輯發展不是毫無阻礙,隨著新興療法走向越來越體積小的治療途徑, RNA 編輯也面臨到需要改善編輯系統大小的挑戰。在我們讚嘆科學技術進步的同時,也展望未來這些編輯蛋白技術還有許多可以改良的空間。

接下來,基因線上也將介紹焦點生物技術:細胞療法,以及彙整年度 IPO、M&A,與讀者回顧 2021 年國際生醫重要進展,請持續鎖定關注!

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