細菌的死亡筆記本—CRISPR/Cas 基因編輯技術

 　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。

        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，2019年起在國際期刊 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！

▲ CRISPR/Cas9應用範圍廣，套組設計是技術重點，國家實驗動物中心以CRISPR/Cas9技術服務產學研各界，客製基因改造鼠，成為研究利器。（圖片來源：國家實驗動物中心）

        CRISPR/Cas 無疑是科學研究的強大工具，科學家和醫生們也陸續聯手將這個技術運用在臨床疾病治療上，包含了遺傳性疾病和癌症，並進入人體試驗階段。所有新興的技術都可能是雙面刃，謹慎、嚴謹的考量其運用方式，才能發揮最好的效應、避免負面影響，讓我們一起關注未來基因編輯技術的發展。