矽谷「黑科技」:指導老師是細菌,開啟基因編輯技術大門的「CRISPR」

矽谷「黑科技」:指導老師是細菌,開啟基因編輯技術大門的「CRISPR」
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我們想讓你知道的是

是什麼發現讓科學家與好萊塢明星同臺,獲得矽谷億萬富翁贊助的「豪華版諾貝爾獎」?又是怎樣的事件觸發全球科學家及社會輿論,對生物技術安全和倫理進行大討論?以上這些問題的答案,都是一個長到連生物學家都記不住的名字:成簇規律間隔短回文重複序列,大家都乾脆親切稱呼由它的英文首字母組合成的新詞——CRISPR。

文:時珍

發現基因編輯工具!指導老師是細菌

是什麼樣的生物新黑科技,開啟了基因編輯技術時代的大門?是什麼發現讓科學家與好萊塢明星同臺,獲得矽谷億萬富翁贊助的「豪華版諾貝爾獎」?又是怎樣的事件觸發全球科學家及社會輿論,對生物技術安全和倫理進行大討論?

以上這些問題的答案,都是一個長到連生物學家都記不住的名字:成簇規律間隔短回文重複序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)。大家都乾脆親切稱呼由它的英文首字母組合成的新詞——CRISPR。CRISPR作為一種最新也最受矚目的基因編輯技術,為人類遺傳病的治療帶來了新的希望,而對CRISPR安全性的考量及對倫理上的挑戰,也同樣是它成為萬人關注焦點的重要原因。

CRISPR的故事要從它誕生那一刻講起:在1990年代,科學家就發現一小段很奇特的細菌DNA序列。這一段看起來無厘頭的序列,成為長達兩個世紀的不解之謎,最終居然與乳品業的科學家,為了提高優格發酵菌的抗性所做的研究不期而遇。科學家透過研究CRISPR,意外發現它是細菌的「獨門神功」,小小的細菌竟然也有一套免疫系統;而就在科學家不斷深入了解它的同時,生物技術科學家也獲得了編輯基因組的新「殺手鐧」⋯⋯那麼,到底什麼是CRISPR?且讓我從頭說起它的前世今生。

CRISPR:細菌的獨門神功

雖然有些討厭的細菌會讓人生病,但實際上絕大多數細菌都與人「和平共處」。另外,很多種細菌還是人類的朋友,它們被應用於發酵工作,幫助人類生產食品、藥物以及清潔能源。

細菌也會生病,它的敵人主要是被稱為「噬菌體」的病毒。噬菌體寄宿在細菌內後,會啟動一套「駭客」程式,盜用細菌體的材料和能量,來生產和包裝數以萬計的病毒。隨著這些新病毒的釋放,一個細菌體便化為烏有。這對主要依賴細菌進行發酵的乳品業(例如優格和乳酪工業),是個麻煩的問題。

為了幫助細菌有效抵抗噬菌體,科學家進行了很多研究。他們發現了有趣的現象:在細菌與噬菌體的戰役中,雖然噬菌體通常大獲全勝,但細菌並沒有全軍覆沒。

更重要的是,這些頑強存活下來的極少數細菌,再次遇到同種的噬菌體時,能非常有效抵抗噬菌體的攻擊。這些存活下來的細菌究竟有什麼「過人之處」,能戰勝噬菌體?正是這個問題促使生物學家不斷研究。2007年,這個問題終於有了答案。

答案的線索可以追溯到1987年,日本科學家在幾種細菌的基因組中,發現很奇特的一段重複序列。每個重複的單元是一小段序列,接著一段它的反向序列(生物學上稱為「回文」),再接著一小段看上去很隨機的序列(科學家稱為「間隔序列」)。這樣的單元可以重複許多次,連成一串排在細菌的基因組裡(Ishino et al. 1987)。

因為實在令人費解,這篇論文當時並沒有在科學界引起重視。在接下來約20年中,隨著基因組測序的普及,科學家不斷在多種細菌和古生菌的基因組中,都發現這個奇特的重複序列。這讓科學家更好奇,這奇特的重複序列也獲得了自己的學術大名——成簇規律間隔短回文重複序列(Jansen et al. 2002)。因為又拗口又難記,科學界都只稱呼它的英文首字母的組合——CRISPR。

幾位西班牙科學家,收集了來自於幾十種不同細菌基因組中,其上千段CRIPSR的「間隔序列」,在一個包含當時所有已知基因組的資訊庫裡進行序列比對,找尋還有哪些生物可能具有類似的序列。

結果,許多「間隔序列」居然和一些噬菌體基因組序列高度一致(Bolotin et al. 2005, Mojica et al. 2005, Pourcel et al. 2005)。細菌用一種奇特的方式,小心翼翼收藏著敵方的資訊。莫非,這些資訊是用來對付噬菌體的?

為了證明這個猜想,來自於丹麥Danisco生物製品公司(現被杜邦公司收購)的科學家,進行了一組嚴格控制的實驗。科學家選擇用於乳品發酵的嗜熱鏈球菌作為研究對象,篩選出在噬菌體寄宿後,產生抵抗性的菌株,與噬菌體寄宿前,不具備抵抗性的菌株進行比對。

結果發現,在產生抵抗性的菌株的CRISPR位點上,插入了一個新的重複單元。而這個單元的間隔序列,恰好與噬菌體完全匹配。而當他們把這一個序列單元,從有抗性的細菌基因組移除後,發現這些細菌就不再對同種噬菌體有抗性。

最直接、最震撼的證據是,當他們把這個序列單元,插入到一個本來不具有抗性的細菌CRISPR位點後,這個改造過的細菌,居然就能頑強抵抗這種噬菌體。2007年的那個春天,這篇論文發表在最頂尖的《科學》雜誌上(Barrangou et al. 2007),就此打開了生物科學界一扇新的大門。

這個發現,為科學家帶來更多的疑問:最重要的問題包括,細菌到底是怎麼利用噬菌體的這一小段DNA序列,扭轉戰局、轉敗為勝?

CRISPR的神奇搭檔:「搜尋引擎」和「剪刀手」

雖然在不同種細菌裡,具體機制有所差別,但最基本的原理,都一致而且簡單:細菌透過這一小段序列,就能準確定位噬菌體相對應的序列,然後喀嚓一刀把噬菌體的DNA鏈剪斷。被剪斷基因組DNA鏈的噬菌體,就像被敵方拔掉了大旗,再也無心進攻。


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