回溯歷史,西元前 12,000 年起,人類因應生活的需要,馴化動植物做為食物來源,選擇性培育生產力較好的、比較好吃的個體,從那時候開始,除了自然環境影響,人類無意識的成為操縱動植物基因遺傳的因素之一。爾後,隨著科學技術的發展,科學家從細菌和病毒身上得到靈感,透過基因工程技術,著手改造、編輯生物的基因密碼。
近年火紅的 CRISPR/Cas 基因編輯技術,就是科學家從細菌免疫系統得到的靈感。 CRISPR/Cas9 的全名為「常間回文重複序列叢集關聯蛋白」(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat/ CRISPR associated protein 9),CRISPR 是 1987 年日本科學家在大腸桿菌中發現一整段有如三明治般的特殊序列,一段段重複出現的回文序列( palindromic )像是麵包,夾著不一樣的基因片段( spacers )就像餡料,當時的科學家並沒有發現這樣的特殊序列所代表的意義。
1990 年 Francisco Mojica 在古細菌身上也發現相似的特殊序列,並推斷在兩種擁有截然不同遺傳基因的細菌身上,被高度保留的遺傳密碼 CRISPR 一定具有重要的功能。果不其然,科學家發現三明治中的不同餡料,與病毒的基因片段相同,細菌在抵抗病毒的過程中,會將病毒的基因片段留在體內的檔案夾中形成死亡筆記本,麵包是一個個分隔用的書籤,餡料則是被記在基因裡的病毒序列,下次有相同 DNA 的病毒入侵時,就會啟動防禦機制,由 Cas 蛋白攻擊入侵者 DNA。
細菌對抗病毒感染的免疫機制:將入侵者基因片段保留在CRISPR區域,記憶並於下次引導Cas蛋白攻擊入侵者。(圖片來源:國家實驗動物中心)
直到 2013 年,累積許多科學家的研究發現,終於在實驗室建構 CRISPR/Cas9 基因編輯系統,快速、簡單、高效率的在哺乳動物細胞中進行基因編輯,整個技術發展歷程和相關科學家的發現,可以參考 CRISPR: History of Discovery 影片中詳細的介紹。
CRISPR/Cas 9技術的原理,就是學習細菌把這筆帳記在基因裡形成死亡筆記本的方式,以特殊序列引導 Cas9 蛋白攻擊目標基因,藉由細胞體內的雙股 DNA 斷裂、修復,達成基因編輯的目標。讓我們來看看研究人員如何師法細菌的智慧,運用這個厲害的工具:
CRISPR/Cas9 快速、簡單、精準、跨物種的特性,可以運用的範疇更廣,快速成為科學家的得力助手,不過仍存在切割到非目標基因序列的脫靶效應。 CRISPR/Cas 基因編輯系統先驅團隊之一的張鋒教授,今年 1 月在國際期刊 Nature Communications 發表了 CRISPR/Cas12b 系統,利用基因工程改造 Cas12b 蛋白的缺點,讓整體編輯效率提高、脫靶性降低,優化基因編輯技術系統,前景可期!