10 月 7 日，加州大學伯克利分校 Jennifer A. Doudna 教授和法國微生物學專家 Emmanuelle Charpentier 博士榮獲 2020 年諾貝爾化學獎殊榮！她們發現 CRISPR/Cas9 基因編輯系統，可高度精度地改變動物、植物和微生物的 DNA；藉由編程基因密碼，可為癌症帶來創新的療法，並有可能治癒遺傳性疾病，重新改寫人類的遺傳密碼，展開醫學與生命科學研究領域從所未有的新篇章。
CRISPR 起源：古細菌的防衛系統
CRISPR 的全名是「常間回文重複序列叢集／常間回文重複序列叢集關聯蛋白/群聚且有規律間隔的短回文重複序列」（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins），主要為一種存在於大多數細菌與所有的古細菌中的後天免疫系統，負責消滅入侵的外來質體或者噬菌體，在所有原核生物的重複 DNA 序列中 CRISPR 似乎是最為普遍的一種重複 DNA 序列家族。2002 年Ruud Jansen 所帶領的研究團隊以英文字母縮寫組合出 CRISPR 的稱號來為這區段命名。CRISPR/Cas 的複合式結構包含兩個部份，第一個是 CRISPR，這是一段排列奇特的 DNA；第二個是 Cas，是一種核酸酶。這兩者組合起來就成為一套 DNA 編輯系統。
Doudna 教授、Charpentier 博士與 CRISPR 的美麗邂逅
2006 年，Doudna 教授在在加州大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）同事 Jillian Banfield 的引領之下首度認識了 CRISPR，讓她開始對於這個發生在古微生物的有趣現象感到興奮且深深著迷，但實際上當時她因為研究室的資源和人力不足，險些放棄了這項嶄新而高風險的 CRISPR 研究。然而，在 Jillian Banfield 的強力鼓吹之下，再加上團隊有新的博士後研究員威登赫夫特 Blade Wiedenheft 的加入，讓 Doudna 教授決定放手一搏，決心投入探索 CRISPR 神秘機轉的謎團。
2011年，Doudna 教授因緣際會認識了 Emmanuelle Charpentier 博士，二人相談甚歡一拍即合地決定開始合作。Emmanuelle Charpentier 從化膿性鏈球菌的感染機制確認是以第 II 型 CRISPR 系統來切斷病毒 DNA，其中 csn1 基因扮演非常關鍵的角色（Csn1 曾有過許多名字，直到 2011 年夏天才被正式命名為 Cas9）。她們一致認為 Cas9 蛋白可能在第 II 型 CRISPR 系統的免疫反應期間，擔任破壞病毒 DNA 的關鍵要角。
基因神剪 CRISPR-Cas9 誕生
2012年，Doudna 教授和 Charpentier 博士合作，嘗試把 CRISPR RNA 和 tracrRNA 接合起來，變成一條合成的單股 RNA，稱 sgRNA，大幅簡化了製作 CRISPR / Cas9 的過程。
他們的 CRISPR-Cas9 基因編輯系統是由 2 段 RNA （CRISPR RNA 和 tracrRNA）和切割酵素酶蛋白 （Cas9）所組成的複合式結構，CRISPR RNA 和 tracrRNA 扮演著導航者的角色，帶領著 Cas9 蛋白複合體找到病毒的 DNA序列進而將其切割分解。其中，CRISPR RNA 是一段約 20 個核苷酸長度的 RNA 序列，透過序列互補來辨認目標 DNA 的位置，讓 Cas9 蛋白進行雙股 DNA 切割裂解（Double Strand Break），進而透過細胞本身的自然 DNA 修復機制或是給予人工的外源 DNA 片段作為模板，對於目標 DNA序列進行修補或是編輯。
該研究成果旋即發表在《Science》期刊，並且在隔年的一月份發表了 CRISPR 基因編輯在人類細胞的研究成果，不僅奠定 CRISPR/Cas9 成為基因編輯的重要里程碑，更點燃 CRISPR 基因編輯研究/應用領域群雄並起的烽火。
延伸閱讀：CRISPR 基因編輯教母 Jennifer A. Doudna 訪台演講CRISPR 治療癌症和遺傳性疾病？ 靜待更進一步的臨床結果
2019 年 11 月，一項第 1/2 期臨床試驗結果指出，透過 CRISPR/Cas9 療法 CTX001 編輯胎兒血紅素（fetal hemoglobin）彌補一位輸血依賴性 β 地中海貧血（transfusion-dependent beta thalassemia TDT）病人與另一名鐮刀型紅血球疾病（sickle cell disease, SCD）病人的攜氧蛋白缺陷，改善其供血系統。另外，同年 10 月，中國科學家利用 CRISPR-Cas9 基因編輯造血幹細胞的 CCR5 基因，以治療愛滋病合併急性淋巴性白血病（acute lymphocytic leukemia, ALL）病人。美國賓州大學進行的另一項第 1 期臨床試驗，使用 CRISPR 編輯 T 細胞的 TCRα、TCRβ 和 PD-1 等三個基因並使它們失活，然後再將其送回癌症病人體內，期望能幫助免疫系統抑制癌細胞的生長。上述臨床試驗，都可能在 2020 年年底有更進一步的結果發表，值得關注。
CRISPR 編輯異種器官移植於人體可望進入人體試驗
不僅疾病治療，CRISPR 也能應用於異種器官移植領域，透過 CRISPR 編輯動物器官，降低免疫排斥，以替代人體器官或組織，有望緩解人類肝臟、心臟和其他器官的長期短缺。例如，哈佛醫學院以及麻省理工學院（MIT）的George Church 教授利用 CRISPR 剔除所有豬內源性逆轉錄病毒（Porcine endogenous retrovirus, PERVs）的基因片段，也更對抗體反應、補體反應、細胞免疫反應等相關的基因進行編輯，解決免疫相容性問題，讓這些豬隻的器官有機會應用於人體移植。綜合以上，該策略的新型臨床試驗將於 2021 年啟動。
延伸閱讀：基因編輯神手—合成生物學之父 George Church 訪台期盼 CRISPR 越來越成熟與安全
期待 2020 年年底，有更多研究和臨床試驗是能證實 CRISPR 基因編輯技術越來越成熟與安全，以治療人類相關疾病，改善整體生活品質。
首圖來源：https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/
延伸閱讀：基因編輯應用於臨床治療首例！Vertex 和 CRISPR 貧血患者治療結果良好參考資料：
1. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/
2. Science; Policy Scientific Community; doi:10.1126/science.aba7346
3. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03399448?term=CRISPR&draw=2
4. N Engl J Med 2019； 381：1240-1247 doi：10.1056/NEJMoa1817426
5. http://www.tang-prize.org/owner.php?cat=11&y=3
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