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CRISPR:開啟基因治療的契機

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人類會生病,但你知道細菌也會生病嗎?而更奇妙的是,細菌對抗病原的機制,竟然隱藏了基因修改的利器,可望為醫學治療帶來顛覆性的改變!

故事從優酪乳開始…

優酪乳的製造過程會用到一種稱為嗜熱鏈球菌 (Streptococcus thermophilus) 的細菌,負責將乳糖轉變為乳酸。不過這種菌如果感染稱為「噬菌體」(bacteriophage) 的病毒就會生病,進而嚴重影響優酪乳的品質。在2005年,西班牙的Francisco Mojica教授發現細菌內會存在所謂的「CRISPR序列」;這種序列含有許多段重複的DNA片段,而在各個重複的片段之間,會夾有短片段的噬菌體DNA。後來,全球最大食品添加物和益生菌公司 — Danisco (現為杜邦化學集團子公司) 的研究人員發現這其實是細菌對抗噬菌體的免疫系統。夾在重複片段之間的噬菌體DNA來自於過去感染但被成功擊退的噬菌體,之後如果再發生感染,這些噬菌體DNA短片段就會被用來辨識外來的噬菌體DNA,並與之配對。接下來CRISPR系統的Cas9核酸酶就會啟動,將配對的DNA剪斷;被剪斷的噬菌體DNA就無法發揮作用,細菌也就不會被感染。而細菌更會從被剪斷的噬菌體DNA延攬新片段到CRISPR序列,持續提升辨識能力。

從細菌免疫到編輯基因的利器

這十年來,法國、荷蘭、美國、加拿大、瑞典、和奧地利的學者陸續闡明CRISPR系統的細節,並找到Cas9核酸酶的引導和定位因子。在2012-2013年,立陶瓦、美國柏克萊大學、美國麻省理工學院、和美國哈佛大學的實驗室陸續發表以CRISPR系統編輯基因片段的結果,麻省理工學院的華裔研究人員Feng Zhang更首度證實CRISPR系統可用於編輯人類和老鼠細胞的基因。CRISPR可精準的定位和剪輯目標基因,甚至能針對特定基因片段進行刪除、插入、或取代等動作,讓基因工程變得跟電腦文書處理一樣簡單。CRISPR更有花費低廉、容易上手等優勢,應用範圍極廣,從乳製品工業、農業 (基因改造作物)、環境科學 (減少病媒蚊),到現今最熱門的醫學領域,都有舉足輕重之地位。在2014年,科學家成功利用CRISPR治療罹患先天性疾病的成年老鼠,目前也有許多第一期臨床試驗正嘗試利用CRISPR治療有鐮刀型貧血或乙型地中海型貧血基因的患者。未來隨著技術成熟,CRISPR可望能改善全身上下由基因異常所造成的問題,包含先天遺傳的疾病、基因突變引起的癌症、或基因相關的慢性病等等。不過如同其他基因編輯技術,CRISPR也面臨俗稱「脫靶效應」的精準度問題,即波及意料外之基因片段;這在治療時可能會產生無法預測的後果,甚至引發癌症!而在2015年四月有報導指出中國的科學家正在運用CRISPR進行人類胚胎研究,馬上就引爆各種道德和倫理爭議。因此隨著科技快速發展,相關法令與規範也必須加速達成共識, 盡量避免不可挽回的後果。

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延伸閱讀:基因工程的道德考驗,高峰會尋求未來之路

沒有退路的生醫革命

康乃爾大學的基因學者John Schimenti表示,CRISPR是繼DNA人工複製技術後,堪稱最重要的生物科技里程碑。以往編輯基因都面臨專一度不佳或時間、金錢耗費甚高的問題,導致進展受阻,更遑論應用於基因治療。但自從CRISPR問世,在農業、工業、和醫療的進展皆突飛猛進,相信再過不久,以往被認為是絕症的疾病都有機會透過CRISPR治療,對於目前的醫療模式產生顛覆性的改變。

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

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

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