- [2017/11/2] 更新資訊:完成之後關閉基因編輯器(Switch off the genome editor when you’re done)
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CRISPR基因編輯技術有開關功能。藉由推廣此技術我們得以探索HD研究的技術。由 Dr Michael Flower 於2017/11/2撰寫, Dr Ed Wild 編輯。
基因編輯是目前醫學科學被廣泛討論的前瞻性領域,”DNA手術”具有治療基因疾病(例如HD)的潛力。我們將在此討論此技術還可運用於何處以及現今仍存在的挑戰。我們也會討論一群來自瑞士的科學家,發展出如何在基因編輯機制的工作完成之後,將之關閉的方法。先討論一些基礎知識
我們是由細胞所組成,每個細胞擁有一套我們身體的完整DNA的複製。人體的DNA是構成身體的建構指引,是由代稱為A, T, G與C的四種鹼基組成。完整的建構指引稱為基因組(genome)。身體的細胞辨識到DNA中鹼基的順序之後會開始製造蛋白質,對應不同蛋白的DNA稱為基因(gene)。
基因編輯會利用蛋白質機器精確的切割DNA。使用它來針對腦細胞進行編輯是複雜而有風險。事實上並非真正的使用機器手臂來進行。何謂基因編輯?
HD是因為基因的突變造成,此基因是huntingtin蛋白的對應基因。患有HD者,在基因前端的CAG的片段會重複太多次,進而造成細胞產生有害的蛋白-變異huntingtin。如果我們能將此DNA稍微修飾成正常狀態不是太好了嗎?這並非新穎的觀念,但直到近期才發展出可編輯人體DNA的工具。基因編輯會使用一種稱為核酸酶(nucleases)的蛋白質,作為切除DNA的分子機器。近期在媒體上可見的稱為CRISPR技術。此技術可追朔於1990年代早期,研究人員發現細菌中存著一組奇怪的重複DNA片段,他們稱之為CRISPRs,但當時並不知道有何作用。稍晚在2002年時,科學家發現在靠近這些重複片段周圍,有一些DNA指令可讓核酸酶產生。我們稱這些核酸酶為Cas。之後在2005年時,拼湊這技術的最後一塊拼圖被發現了。研究人員發現在重複序列間的某些短片段,並非來自於細菌本身,而是來自於被病毒感染時將病毒的DNA加入到細菌的基因中。結果發現CRISPR與Cas的結合是細菌的免疫武器,用來對抗病毒。當病毒感染了細菌細胞,細菌會竊取一小段病毒的DNA到自己CRISPR序列中的基因。整個片段包括了CRISPR, 病毒DNA以及核酸酶切割器,變成了用來辨識病毒DNA並將之切碎的武器。
最後,在2012年時Jennifer Doudna及Emmanuelle Charpentier 發現藉由調整DNA中間位的序列,你可讓Cas切割DNA的任何位置。這就像Cas核酸酶瞄準系統,至此可量身訂做的基因編輯工具完成了。
將基因編輯用於治療
人類細胞並沒有CRISPR或是Cas,因此想要編輯人類基因,必須教導細胞製作基因編輯工具。基於此目的,科學家將CRISPR及Cas的DNA密碼載入到無害的病毒,並使其感染細胞,讓病毒將DNA注入細胞中。細胞生產了CRISPR與Cas編輯工具,這些工具可用來切割DNA我們想要切割的位置。挑戰之一在於確定Cas不會攻擊錯誤的目標。如果DNA其他地方的序列非常相似,Cas可能同樣也會切除。這意味著當運用此技術切除一個基因的突變時,有可能切除了其他基因的部位,造成其他新的疾病。
“The KamiCas9基因編輯系統,一開始時去活化了huntingtin基因,四週之後它把自己停止作用了。”
用來治療疾病的基因編輯
基因編輯具有治療多種疾病的潛力。相關研究尚處於早期階段,特別是在人體身上。近期的一個研究當中,中國的研究人員運用CRISPR/Cas於人類胚胎,用以矯正beta-地中海貧血的突變。胚胎未被植入,但這意味著人類基因也能被編輯。使用基因編輯來治療HD
近期有個令人興奮的研究正在進行中,這研究使用一種被稱為反義寡核苷酸(antisense oligonucleotide, ASO)的藥物,用來減少腦中huntingtin蛋白的數量。此方法有時被稱為”基因沉默”(gene silencing),但這非基因編輯,因為藥物並未干擾腦中的DNA。如能從DNA層級治療HD,對基因編輯而言是向前邁向一大步。目前有數個朝向此目標的方法。最理想的就是能將過長的CAG片段修改成正常長度。雖然CRISPR/Cas目前是個能有效改變DNA中單獨片段的工具,尚無法特定針對擴長的基因片段並縮減CAG片段的重複數目。另一個替代方案就是及早介入並停止HTT基因,使其不再生成蛋白質。
理論上,基因編輯將會永久性、完全的停止蛋白質生成。這聽起來不錯,但是可能是個雙面刃,因為一旦出錯,將無法可逆性的回復進而造成永久的影響。
改善CRISPR/Cas在HD的應用
一旦CRISPR與Cas的DNA插入基因組,它們將永遠停駐在那。這意味著細胞會持續生成Cas核酸酶,即使它的工作僅是剪斷細胞中它周遭DNA,之後就不再需要它。因此,Cas核酸酶可能會有剪裁其他不應該切除的DNA的風險,導致造成疾病的突變。另外要記得,Cas是來自細菌,因此人體的免疫系統可能將之視為外來物而攻擊它,誘發危險的免疫反應。
基因編輯的風險之一,就是可能會意外的攻擊錯誤的目標,影響我們預期之外的基因改變。理想的狀況是,我們僅需要一個只能簡單工作的CRISPR/Cas,並在依循選擇的方式編輯DNA之後,自行關閉。
瑞士的Lausanne大學(University of Lausanne )的Nicole Déglon團隊已發展出一個方法達到這目的。他們找到能在Cas完成編輯HTT基因之後關閉它的方法,因此能減少它引發免疫反應或是誤擊其他目標的機率。
這個瑞士團隊的絕妙點子就是讓CRISPR/Cas機器瞄準HTT基因的同時,藉由一個額外的CRISPR序列,讓它因此也瞄準自己的DNA。當它剪裁自己的DNA時,這系統就會自行關閉。這個額外的CRISPR序列稱為KamiCas9,其被生成的速度遠比HD目標還慢,因此它的自行關閉效果會延緩出現。這意味著當它去活化huntingtin基因後,大概四週後才會關閉這個基因編輯系統。在前四週內,這個對huntingtin基因的編輯效果會被永久保留,而Cas核酸酶的停止活動能減少後續產生不良影響的機會。
這帶給基因編輯何種影響?
基因編輯具有治療多種疾病的潛力。但是如果使用不當,將可能帶給人體DNA基因疾病,影響患者以及未來世代。Déglon的團隊對於使基因編輯在完成工作之後,自行關閉的議題做出相當大的貢獻。但是將基因編輯系統運用在人體腦部仍是個相當大的挑戰,同時有著在自己去活化之前剪裁其他目標的風險。
基因編輯是個令人振奮的技術,對未來預防HD的研究是個可行的方向,甚至可能移除後代相關的風險。新的關閉技術證明了科學家總是致力於改善技術,而用來改善HD並幫助受到影響家屬的研究將會持續進行著。