訪問CRISPR專家︰在人體應用「基因神剪」,我們要考慮甚麼?

訪問CRISPR專家︰在人體應用「基因神剪」,我們要考慮甚麼?

我們想讓你知道的是

中研院生物化學研究所助研究員凌嘉鴻站在 CRISPR 研究最前線,非常孰悉這把「基因編輯神剪」的優缺點,比起拿來改造人類,他更想把這把剪刀改得更安全。

採訪編輯:歐宇甜
美術編輯:林洵安

基因神剪CRISPR宛如科技魔戒,威力橫掃全球,大多數科學家積極用它改良物種,甚至人類自身。但,編輯人體基因已經安全,毫無副作用嗎?中研院生物化學研究所助研究員凌嘉鴻,站在CRISPR研究最前線,非常孰悉這把剪刀的優缺點,比起拿起CRISPR神剪改造人類,他更想把這把剪刀改得更安全。

問:您是人體基因編輯的專家,去年發生基因編輯寶寶的爭議,您怎麼看?

答:「基因編輯寶寶事件」是中國生物學家賀建奎和他的團隊,利用CRISPR技術,修改人類受精卵的CCR5基因,目的是讓胚胎在發育過程中對愛滋病毒免疫。

2018年11月,賀建奎宣稱:已有一對基因經過編輯的雙胞胎姊妹誕生。這對姊妹的父親是愛滋病帶原者,但兩姊妹出生後證實均未感染愛滋。

問:寶寶不會感染愛滋,聽起來很棒啊,為什麼全世界科學家都跳腳?

答:主要原因有三:

一、這個實驗是沒有必要的冒險!當夫妻一方感染愛滋病,又想要生下健康寶寶,可以有更好、更安全的醫療方案,不需要進行風險還很大的基因編輯。

二、這次基因編輯的雙胞胎,只有一個實驗成功,另一顆受精卵雖然也放入CRISPR,卻沒有切掉CCR5基因。但是,賀建奎竟將這顆實驗失敗的受精卵,也放到母體孕育,這讓科學界無法接受!

因為這顆失敗的受精卵,不但沒有達到抗愛滋的醫療初衷,出生的寶寶還必須承受巨大的風險。如果CRISPR剪到其他基因,可能為這個新生命帶來難以承受的後果。

三、雖然剔除基因CCR5可能抵抗愛滋病毒,但這個基因會不會有其他重要、人類還沒發現的功能?剪掉這個基因會不會造成嚴重的副作用?目前的科學仍無法預料。

問:看來基因編輯寶寶現階段還是母湯啊!您目前在改造人類的什麼基因呢?

答:CRISPR門檻很低,許多人很快跑到應用面。但我比較關心安全性、副作用等問題。

在細胞裡丟進一把剪刀和DNA,難道細胞完全沒反應嗎?我不太相信。

最近我的實驗室發現,細胞對外來DNA跟RNA的免疫反應很激烈:細胞會認出這些RNA跟DNA不是自己的,產生發炎反應,甚至放出求救訊號:「有奇怪的RNA或DNA出現!」如果細胞會對CRISPR出現發炎反應,未來想在活體上進行治療,問題就很大。

另一個重要的問題:雖然現在有一把精準有效的基因剪刀,但修復過程是細胞在控制,跟剪刀一點關係都沒有。理想狀況下,當Cas9剪開DNA時,會有機會更改DNA,但細胞願不願意將正確的DNA片段接上去?當細胞已出現發炎反應,它會怎麼修復DNA?目前仍沒辦法掌握。

問:細胞會怎麼修復自己的DNA?

答:最重要的DNA修復方式有兩種:

一種是非同源性末端結合 (NHEJ):直接將DNA雙股斷裂的尾端拉近、黏上。如果細胞選擇這條路,就不會接受外來的DNA片段。

一種是同源性重組(HDR):正常的DNA有兩副,今天斷在某一副的某個位置,另一副通常不會這麼巧合斷在同一個位置,可以作為修復模板,複製一段正確DNA,接在DNA的斷口處。

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Photo Credit: 圖說設計│黃曉君與林洵安、資料來源│凌嘉鴻
細胞修復DNA有兩條路,NHEJ是直接把斷裂處接起來,HDR是拿另一副DNA做模板複製正確的DNA片段,接在斷裂處。當細胞選擇走HDR,才有可能接受外界送入的正確基因。

當細胞選擇走HDR這條路,才有可能接受接受我們送進去的DNA片段,完成基因編輯。可惜的是,細胞喜歡走NHEJ,直接把斷掉的DNA兩端接起來,雖然這條路破壞性很大,DNA序列可能多一些、少一些,無法指揮細胞做出正確的蛋白質。

問:細胞為什麼會喜歡這麼破壞性的修補方式呢?

答:原因可能是:人體65億個鹼基序列上,真正存放基因的只有1~2%,其他98%還不清楚有什麼功能。細胞的概念是:DNA斷在不重要的位置的機率比較高,直接接上至少快。

HDR 雖然可以精準複製DNA,但其實更危險。因為基因體序列重複性高,胡亂交換DNA片段的機率也很高,所以很多細胞寧可不走這條路。

總而言之,每種細胞面對CRISPR的反應不太一樣,有些細胞的開關是HDR一半、NHEJ一半。幹細胞或一些免疫細胞,完全是NHEJ。我們會特地選一些喜歡NHEJ的人體細胞做研究,了解細胞做決定的關鍵因素。

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Photo Credit: 林洵安
凌嘉鴻研究基因編輯的主要關懷,在於降低CRISPR這把剪刀放入人體細胞後的安全性、副作用,以及細胞的修復機制等問題,圖中紅色液體就是人體細胞的樣本。

問:未來CRISPR會怎麼治療人體?有可能做成藥劑嗎?

答:這是另一個技術瓶頸!CRISPR一定要成為藥劑,才能廣泛使用。例如:當病人的心臟有基因突變,不需開刀剖開心臟,只要將CRISPR包入膠囊吃下去,或是注射入血液,經過血液循環系統,就能抵達生病的心臟細胞進行治療。但這麼一來,CRISPR必須能「精準」傳送到需要治療的細胞,就像寄包裹,必須抵達正確的地址。

目前最簡單的構想是:用一層膜包起Cas9跟RNA,膜上有一些結構,能夠辨識特定的人體細胞。當這個「包裹」進入血液、組織、器官,找到正確目標(正確地址),才會把Cas9跟RNA送進細胞。

有人嘗試用病毒來「包裝」Cas9與運送,因為大自然中有很多病毒專門攻擊某個生物或器官。有人選擇用奈米材質的包裹,例如:有人的肌肉細胞基因突變,可以把奈米材質包裹注射到肌肉附近,讓它局部擴散,至少可治療某區的細胞。

雖然CRISPR比過去的基因剪刀好用多了,但這把剪刀的精準度、後續的細胞反應、DNA修復方式以及藥物傳送問題……統統需要研究。我希望把CRISPR改到沒有副作用,精準、完全交換到正確的DNA。

問:如果CRISPR沒有副作用、可以做成藥劑,就可以打造完美寶寶嗎?

答:技術上還是不可能!CRISPR只是一把精準的基因剪刀,你得告訴它要剪什麼基因。上面說過,我們對人類基因體的了解不夠,可說是非常淺薄,光是改個身高,到底涉及哪些基因?它們怎麼運作?機制完全不清楚。