諾貝爾獎「基因剪刀」將基因編輯潛力推向高峰，血液疾病、遺傳眼疾可望先受惠

這把基因剪刀其實是自然界奇妙的產物。上個世紀80年代，日本學者石野良純等人注意到，大腸桿菌的基因序列中，有一段固定編碼的序列會間隔著重複出現，作用不明。90年代，西班牙學者莫伊卡陸續研究發現，這不僅出現在大腸桿菌，數十種微生物的基因體都有類似現象。他將之命名為「常間回文重複序列叢集關聯蛋白」（clustered regularly interspaced short palindromic repeat），縮寫為CRISPR。

科學家承先啟後，漸漸拼湊出全貌—當病毒入侵細菌體時，細菌體的免疫系統會捕捉一段病毒的去氧核醣核酸（DNA），存放進那些名為CRISPR的位置點。接著，根據病毒DNA產製一段序列互補的核糖核酸（crRNA）與另一段關鍵的核糖核酸（tracrRNA），兩者結合後附著於蛋白分子Cas；Cas猶如糾察衛兵，而手中的RNA像是導航系統，衛兵持著RNA四處巡邏比對，一旦辨識出同樣病毒再次入侵，就可將不速之客的DNA剪碎，讓它再無法複製。

其中，編號9的蛋白分子被稱為Cas9，這是被認為較好用的一把分子剪刀。在實驗室中，科學家只要設計出一段與目標DNA互補的RNA、附著到Cas9，就可期待快速找到並剪斷目標的基因片段，後續再藉著基因自然修復、人為引導修復或者插入新基因，來達到改造基因的目的。

（師法細菌的免疫系統，科學家發展精準剪斷目標基因片段的方法。剪切後，再藉著基因自然修復、人為引導修復或者插入新基因，來達到改造基因的目的。圖片來源：shutterstock）

不同領域科學家相遇，激盪出劃時代基因剪刀

利用Cas9與2段RNA分子就可辨識與切割病毒基因的機制，最初在法籍微生物學家夏彭提耶（Emmanuelle Charpentier）的實驗室被發現。夏彭提耶2011年在波多黎各一場研討會中邂逅同樣關注CRISPR機制的美籍結構生物學家道納（Jennifer A. Doudna），兩人一拍即合，共同確立CRISPR-Cas9的運作機制，並且簡化程序，隔年就發表於國際期刊《科學》，在科學界掀起狂瀾。

「過去夏彭提耶注意到這把剪刀卻不知道該怎麼剪，道納研究CRISPR但不熟Cas9，她們互補合作，讓Cas9變成一把好用的剪刀，讓大家知道能怎麼握、怎麼剪，」中央研究院生物化學研究所助研究員凌嘉鴻說。

（夏彭提耶與道納的研究成果備受肯定，早在2016年就曾獲得唐獎生技醫藥獎。圖片來源：Tang Prize 唐獎）

中央研究院生物醫學研究所助研究員牟昀說，她們的研究成果擴散速度前所未見，不管是植物、動物、微生物研究領域都積極運用這把剪刀進行基因編輯。「年僅50多歲的她們獲獎是眾望所歸，更給予投身基礎研究的科學家、年輕女性科學家強烈的鼓勵。」

基礎研究翻轉世界，道納勉勵年輕學子勇於夢想、永不放棄

凌嘉鴻曾是道納門下的博士後研究員，2012年的9月赴美時，道納已發表關鍵文獻而成知名學者，「但她從來不會擺高姿態」。凌嘉鴻說，或許有不少人會將重要的研究發現先收好、先別教別人，等自己產出大量論文後再分享，但道納不是，她從一開始就樂意跟所有人分享。此外，她從來不會因為自己把技術交給別人，就要求對方要將她的名字掛在共同作者的最後一位、彰顯自己是大老。

他印象中的道納還是相當有魅力的科學家，魅力不單指外表，還包括她的思考邏輯、領導風範、溝通能力。他回想，過去每次與道納meeting，他與同學都無法拒絕道納的任何要求，她不需要講太多話就可說服學生；即使學生態度堅定，她一句「please~」就讓學生感到沒轍，乖乖點頭後走出實驗室。

她帶領學生的方式是給願景、給發展方向，接著儘量讓學生自由發揮。凌嘉鴻說，她唯一要求是希望看見學生聚焦研究領域，在有想法、有方向、有好的研究設計的前提下找合作夥伴，而不要拿CRISPR到處打雜，如此才對研究生涯有正面助益。

2016年，道納、夏彭提耶與美國麻省理工學院教授張鋒共同獲頒創設於台灣的唐獎生技醫藥獎，那年，她也於凌嘉鴻的實驗室留下簽名，勉勵年輕科學家勇於夢想、永不放棄。

（道納2016年獲頒唐獎來台時，在凌嘉鴻（右一）的實驗室留下簽名，勉勵年輕科學家們勇於夢想、永不放棄。圖片來源：凌嘉鴻）

更具效率的基因剪刀，用於人類得更加謹慎

CRISPR-Cas9是劃時代的基因編輯工具，對照舊有技術，包括鋅手指核酸酶（ZFN）以及轉錄激活樣效應因子核酸酶（TALENs），研究者同樣可以設計、組合出辨識特定序列的蛋白質，用以裁切目標基因，但技術門檻與花費時間均高，且效果不一定好。

凌嘉鴻說，過去針對某一特定序列的基因編輯，技術好的研究者也需花上2、3個月；若事後發現剪切情形不如預期，又要回到設計端重新來過。同樣是2、3個月，CRISPR-Cas9則可測試上百、甚至上千序列，革命性地提升效率。

這款實用、便宜且精準的基因剪刀，理論上能快速應用在所有生命體，全方位用於優生、疾病預防與治療。然而，人們對人類基因的了解以及編輯基因的純熟度均未到位，在此前提下，科學界普遍認為，目前尚不該觸及人類的生殖細胞或早期胚胎，否則將不可逆地影響人類基因庫，稍一不慎將使錯誤代代相傳。

中國科學家賀建奎過去修飾人類胚胎基因CCR5、嘗試助孩子畢生免於感染愛滋，雖然可能出於善意，但此舉仍遭科學界唾棄，道納曾表示「技術被如此玩弄，無比失望」。

血液疾病、遺傳眼疾的應用治療將最先問世

有鑑於此，目前CRISPR-Cas9被嘗試運用於修飾生殖細胞外的其他細胞；治療標的包含癌症、遺傳性疾病等多種疾病。相關研究尚在試驗階段，其中被認為可能最先進入臨床應用的是血液相關疾病與遺傳性眼疾。

血液中的細胞取得相對容易，可在體外進行基因修復，層層確認成功再輸回人體。由道納與張鋒等人創辦的美國愛迪塔斯醫藥公司，目前發展治療標的之一是鐮刀型紅血球疾病，預計今年底向官方申請實驗性藥物EDIT-301的人體臨床試驗許可。

凌嘉鴻的實驗室也專攻大部分存在於血液中的自然殺手細胞（NK cell）。他認為，同樣是免疫細胞，NK細胞的功能比T細胞多得多，若能順利編輯修飾NK細胞乃至其他免疫細胞，免疫療法將有更大突破。

（血液中的細胞取得相對容易，可在體外進行基因修復，層層確認成功再輸回人體，因此血液相關疾病的新療法可能較快問世。圖片來源：shutterstock）

牟昀過去在博士後研究裏頭，嘗試透過這把剪刀探究什麼樣的基因突變有機會使癌細胞康復。不過相較於單一基因缺陷疾病，惡性腫瘤成因複雜、治療方法的開發相形困難，因此他認為短期內發展出新的癌症基因治療的機會較小。

遺傳性眼疾是另一類可能優先應用CRISPR-Cas9治療的疾病。國立陽明大學醫學院藥理所教授邱士華說，眼睛基因突變型態較單純、高達9成發生在視網膜色素上皮細胞與感光細胞，因此治療上只需要在視網膜區域給藥即可。

愛迪塔斯醫藥公司就開發一種針對遺傳性視網膜嚴重萎縮疾病「第十型萊伯氏先天性黑蒙症」的注射藥物EDIT-101，第1/2期臨床試驗進行中，這也是全球首次運用CRISPR-Cas9編輯藥物進行的人體內試驗。

國內眼疾治療研究也有突破，邱士華的團隊去年成功建立先天性視網膜裂損症病人的誘導性幹細胞，進一步成功分化為立體3D視網膜類器官，並證實CRISPR-Cas9能應用在具有這樣病變特性病人的視網膜類器官中，將之修正成為正常的視網膜組織；透過小鼠實驗發現，其療效比市面上昂貴的基因治療藥物來得優異，這對病人而言無疑是福音。身兼眼科醫師的他希望能持續與國際合作，有朝一日將各項研究發現實際應用到臨床，造福病人。

責任編輯：高儷綾