諾獎的背後 萬能的基因剪刀【2020諾貝爾化學獎解讀】

又是一年一度的諾貝爾李宗獎頒發,今年頒給了基因學,表彰美法的兩位科學家開發出了CRISPR-CS9基因剪刀用於編輯基因,我們不糾結今年是不是化學獎變成了李宗獎,我們今天來說說,這個基因剪刀是個什麼東西? 顧名思義,基因剪刀是修剪基因的工具,人類爲什麼要主動修剪基因,這就是基因剪刀存在的意義。 DNA是生命的藍圖,細胞蛋白質的生產,維持生命的正常運作都依靠DNA的指揮,但是當某些DNA的片段發生改變後,細胞的運作可能會失控,很有可能不能生產你所需要的蛋白質,這就導致身體機能的失控,會出現諸多遺傳疾病。 一般的疾病吃藥可以根治,但是遺傳類疾病,藥物只能起到維持或基本控制病情的效果,患者基本上要終身服藥,想要根治只能修改錯誤的藍圖,所以找到一把準確的能夠有效切開DNA的剪刀是解決這一問題的關鍵。 1987年,日本科學家在大腸桿菌的基因體內發現了一段古怪的規律序列,某一小段DNA會一直重複,重複片段之間又有一樣長的間隔。 這段DNA的用途一直是個謎,科學家把這段序列叫做cross-take regularly in space short blood make repeats,常見迴文重複序列重及,後來發現許多細菌都有CRSPR,它是細菌免疫系統的一種機制,可以記憶曾經來犯了病毒,這就是今年化學獎的開端。 當病毒入侵細菌,會把自己的DNA注入到細菌內,企圖霸佔細菌工廠的資源複製新的病毒,但細菌不會乖乖的捱打,它的免疫系統能夠識別摧毀病毒的RNA,這是一場微觀世界的閃擊戰。 細菌的反擊必須夠快夠準纔有機會存活,有些細菌僥倖存活之後會挑選出一段病毒的DNA碎片,插入自己的CRSPR序列,就像爲病毒建立罪犯資料庫。 當病毒第二次入侵,細菌能夠依靠CRSPR序列,迅速地認出這種病毒,第一時間反殺,提高存活幾率。 細菌是如何認出病毒的呢? 首先細菌會用舊病毒的DNA片段當模板,打造一條互補的引導RNA,例如病毒的DNA簡積是T,RNA是A,DNA是J,RNA是C,或是互相顛倒。 引導RNA再利用這種互補關係,對比新病毒的DNA片段,如果可以互補表示新舊病毒相同,然後一種可以切割DNA的酶CS9。 CS9是第一個被廣泛應用到CRSPR的核酸酶,其次是CPF1。 CS9會拿着這段引導RNA前去盤查新病毒的DNA,看看有沒有跟引導RNA互補的段落。 這次反過來,RNA是A,DNA是T,RNA是C,DNA是J,或是相互顛倒。 一旦找到,CS9會立刻剪開被認出的DNA片段,DNA被剪斷摧毀,病毒就沒戲唱了,這種細菌的免疫機制稱爲CRSPR-CES9。 這麼基礎的細菌免疫學,跟基因編輯有什麼關係呢? 基因編輯的關鍵是,找到一把可以剪開DNA,又不會隨便亂剪的分子級剪刀。 細菌的CES9酶,憑着一段引導RNA,能夠準確地勘查鎖定的DNA片段。 操作方法很簡單,先將CES9做好,放入冰箱。 想要剪某段DNA,就定做一條互補的引導RNA,然後將CES9解凍。 與引導RNA結合,再用電機的方式進入細胞,讓它剪下錯誤的基因。 壞基因剪了下來,怎麼貼上好的基因呢? 細胞天生就會自動修補受損的DNA。 只要把正確的基因送進細胞核,就有機會被細胞拿來修補CES9剪下的斷口,完成基因編輯。 CRRSPR不是第一把基因剪刀,在20世紀90年代之前,科學家就開發出了很多能夠剪開DNA的酶。 像是我們中學學過的限制性核酸內切酶。 每種酶有自己獨特的結構,只跟特定的DNA片段結合,憑此準確切割目標基因。 只不過,研究者想剪開另一段DNA,即使序列有一點點差異,也要花費2-3個月重新設計,組裝新的酶,技術複雜,耗時又花錢。 直到2012年,科學家找到CRRSPR這把神剪,它不像過去的酶剪刀,剪一種基因設計組裝一把剪刀酶。 CRRSPR從頭到尾只有一把萬能的酶剪刀,CES9,加上一條引導RNA,就能切割所有的DNA。 目標基因換了,訂購另一條RNA就好,不需要重新設計複雜的酶,技術和價格門檻都非常低。 既然CRRSPR這麼好用,是不是可以終結所有的遺傳疾病了呢? 可惜不是,這把剪刀還有很多技術上的瓶頸,還不適合直接用於治療人體細胞。 最重要的瓶頸之一,這把細菌的基因剪刀用在人體的DNA不是100%準確。 從統計學角度,要從65億個剪輯序列找到一條獨一無二的序列,長度至少要28個。 低於這個數字,找到的可能只是相似的序列。 因此CAS9無法確保統統剪對位置,當CAS9剪錯位置可能造成難以想象的副作用。 目前比較安全的做法,是先從病人體內取出細胞,修改,確定沒有問題後再放回體內。 不過大部分細胞組織不可能隨意取出,只有隨時懸浮在血液中的免疫細胞抽血室才能獲得。 如果有人免疫細胞先天不足,可以先把它們取出體外修改基因。 例如,把T細胞取出來,銷燬它們癌細胞長什麼樣子,再把變聰明的T細胞放回體內,找出癌細胞進行摧毀。 最近幾年很多醫藥和癌症的研究都轉向CRSPR,像中國很早就開始將CRSPR搭配免疫療法,美國歐洲也漸漸跟上。 CRSPR還可以用於幹細胞,先從病人體內取出幹細胞,在體外進行基因編輯,然後放回體內分化成各種健康的細胞,這是潛力無窮的。 當然通過基因編輯,我們是有可能得到像美隊那樣的超級戰士,但是也有可能得到怪物。 至於未來會怎麼樣,一切都是未知。 我是喵教授,我們下期見。