CRISPR 基因編輯獲諾貝爾化學獎之後:癌症和遺傳性疾病治療、異種器官移植進展?

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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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