CRISPR:开启基因治疗的契机

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人类会生病,但你知道细菌也会生病吗?而更奇妙的是,细菌对抗病原的机制,竟然隐藏了基因修改的利器,可望为医学治疗带来颠覆性的改变!

故事从优酪乳开始…

优酪乳的制造过程会用到一种称为嗜热链球菌 (Streptococcus thermophilus) 的细菌,负责将乳糖转变为乳酸。不过这种菌如果感染称为“噬菌体”(bacteriophage) 的病毒就会生病,进而严重影响优酪乳的品质。在2005年,西班牙的Francisco Mojica教授发现细菌内会存在所谓的“CRISPR序列”;这种序列含有许多段重复的DNA片段,而在各个重复的片段之间,会夹有短片段的噬菌体DNA。后来,全球最大食品添加物和益生菌公司 — Danisco (现为杜邦化学集团子公司) 的研究人员发现这其实是细菌对抗噬菌体的免疫系统。夹在重复片段之间的噬菌体DNA来自于过去感染但被成功击退的噬菌体,之后如果再发生感染,这些噬菌体DNA短片段就会被用来辨识外来的噬菌体DNA,并与之配对。接下来CRISPR系统的Cas9核酸酶就会启动,将配对的DNA剪断;被剪断的噬菌体DNA就无法发挥作用,细菌也就不会被感染。而细菌更会从被剪断的噬菌体DNA延揽新片段到CRISPR序列,持续提升辨识能力。

从细菌免疫到编辑基因的利器

这十年来,法国、荷兰、美国、加拿大、瑞典、和奥地利的学者陆续阐明CRISPR系统的细节,并找到Cas9核酸酶的引导和定位因子。在2012-2013年,立陶瓦、美国柏克莱大学、美国麻省理工学院、和美国哈佛大学的实验室陆续发表以CRISPR系统编辑基因片段的结果,麻省理工学院的华裔研究人员Feng Zhang更首度证实CRISPR系统可用于编辑人类和老鼠细胞的基因。CRISPR可精准的定位和剪辑目标基因,甚至能针对特定基因片段进行删除、插入、或取代等动作,让基因工程变得跟电脑文书处理一样简单。CRISPR更有花费低廉、容易上手等优势,应用范围极广,从乳制品工业、农业 (基因改造作物)、环境科学 (减少病媒蚊),到现今最热门的医学领域,都有举足轻重之地位。在2014年,科学家成功利用CRISPR治疗罹患先天性疾病的成年老鼠,目前也有许多第一期临床试验正尝试利用CRISPR治疗有镰刀型贫血或乙型地中海型贫血基因的患者。未来随着技术成熟,CRISPR可望能改善全身上下由基因异常所造成的问题,包含先天遗传的疾病、基因突变引起的癌症、或基因相关的慢性病等等。不过如同其他基因编辑技术,CRISPR也面临俗称“脱靶效应”的精准度问题,即波及意料外之基因片段;这在治疗时可能会产生无法预测的后果,甚至引发癌症!而在2015年四月有报导指出中国的科学家正在运用CRISPR进行人类胚胎研究,马上就引爆各种道德和伦理争议。因此随着科技快速发展,相关法令与规范也必须加速达成共识, 尽量避免不可挽回的后果。

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没有退路的生医革命

康乃尔大学的基因学者John Schimenti表示,CRISPR是继DNA人工复制技术后,堪称最重要的生物科技里程碑。以往编辑基因都面临专一度不佳或时间、金钱耗费甚高的问题,导致进展受阻,更遑论应用于基因治疗。但自从CRISPR问世,在农业、工业、和医疗的进展皆突飞猛进,相信再过不久,以往被认为是绝症的疾病都有机会透过CRISPR治疗,对于目前的医疗模式产生颠覆性的改变。

参考文献:
1. https://www.broadinstitute.org/what-broad/areas-focus/project-spotlight/crispr-timeline
2. http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=2603

图片来源:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B8%E5%AD%97%E5%8C%96%E9%9D%A9%E5%91%BD

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