基因编辑大浪袭来— CRISPR技术先驱者 珍妮佛˙道纳专访

2020-06-27 浏览量:561
「起初浪很小,但渐渐变大,在我眼前升起,浪潮宛如一座巨塔,顶部白色的浪花掩盖了天空。之后又是一波接一波的浪往岸边袭来……这时 是 2015 年 7 月,我正处于自己一生 中最兴奋、最忙碌的一年。我开始经常做这样的梦,现在想来很容易领悟到其中深藏的意义。海滩仅是海市蜃楼,但波浪以及其所激起的恐惧、希望和敬畏的情绪都太过真实。」

这是美国加州大学柏克莱分校教授道 纳(Jennifer Doudna)在她与史腾 伯格(Samuel Sternberg)合着的科 普书《基因编辑大革命》( A CRACK IN CREATION : Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution)中写的序言。她带领研 究的革命性生物新技术「基因编辑 (genome editing)」, 让生物学家能 够更轻易地修改生物的基因。这个技术在发明的短短数年内,就已经改变了实验室内的基础生物研究,像是一波波的小浪在全球各地积累,并且正步步朝着各种应用层面推进,人类更精準操作生命的巨浪正朝我们逼近。
从细菌的免疫系统借来的大发明 在确立遗传物质DNA会转录成RNA, RNA则转译为蛋白质的「分子生物 学中心法则(The central dogma of molecular biology)」后,RNA 的 角色原本被认为仅是忠实传递遗传讯息的过渡物质,并不特别被重视。然 而,更多的研究显示RNA拥有不同 的形态与结构,也非完全依照DNA 序列为样板依样画葫芦那幺单纯。这 表示RNA仍有许多面向值得探索、 各种谜团待解,这个发现深深吸引着 道纳,也让她开始投入RNA分子的 生物机转研究。

而道纳从RNA转而投入基因编辑研 究的转折,来自于2006年同校一名未 曾碰过面的同事,打来的一通请求碰面洽谈合作的电话。道纳与地球微生 物学家班菲尔德(Jillian Banfield) 约在咖啡厅碰面,班菲尔德告诉她细菌或古菌中有一个特殊的机制,可能是它们对抗病毒入侵的免疫系统。 这个系统的主角是一段重複DNA 结构,被命名为CRISPR,为「群 聚且有规律间格的短回文重複序列 (clustered regularly interspaced short palindromic repeat)」的简称。班菲尔德认为CRISPR 和道纳 的 RNA 研究有些相关,这些古菌与 细菌可能是透过表现CRISPR序列的 RNA 片段来辨识外来病毒的DNA, 并透过酵素作用销毁它来保护自己。

「我对这些非常根本的基础研究很有兴趣。」道纳说,「我对大自然的一切感到好奇,并想试着去了解生命的 根本。」当时她完全不知道CRISPR 将如何影响她的研究生涯,只是非常单纯受班菲尔德影响,想多了解 CRISPR系统,因而开启了她从未想 过的新探索方向。

道纳提到,当 1953 年华生与克立克 解开DNA 结构之谜后,科学家就开 始想方设法要以人之力修改生物中的 DNA,来满足研究或动植物育种上的 需求。科学家因应修改生物中DNA 的方法很多,像是可使动物变成通体 发萤光的基因转殖技术(transgenic animal), 但可以精準地将细胞中原有 基因加以置换的技术是最难的。基因 剔除∕嵌入鼠(knock out∕in mice) 曾在这个领域独领风骚数十年,但因为研究价格高昂,加上仅能在小鼠单一物种中施行,科学家们不断找寻其他 替代研究方案。在CRISPR技术发明 之前,科学家多是用「锌指蛋白(zinc finger nuclease, ZFN)」及「似转录因子激活核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, TALEN)」2 个工具。这 2 个工具嵌合能辨 识特定DNA序列的蛋白质片段以及具切割双股DNA 能力的核酸酶,蛋白质的标誌模组带着核酸酶到特定位 置,由核酸酶剪断DNA序列,再移除或插入目标序列。 虽然这些方法并非百分之百能成功,也仍有许多缺点,但在科学家们的投入与改良下,这些工具的编辑效率也渐渐提升,这也是在生物学上很重要的突破。
基因编辑大浪袭来— CRISPR技术先驱者 珍妮佛˙道纳专访
然而,上述2个基因编辑技术在2012年后因为CRISPR 的出现而黯然失色。和ZFN与TALEN工具一样, CRISPR在古菌与细菌里的作用机转中,也有一个重要 的蛋白质。CRISPR 搭配的蛋白质称为Cas(CRISPR associated protein),它不仅能辨识入侵病毒的DNA, 还会将其水解并将其部分DNA序列加工嵌入CRISPR 重複序列之间,未来Cas蛋白能够透过转录出的RNA 片段去辨识外来DNA,加速消灭宿敌的速度。CRISPR 基因编辑系统是由CRISPR RNA、Cas 蛋白家族中的 Cas9蛋白,以及一段辅助用的RNA(tracrRNA), 共同构成的複合结构。而道纳与法国生物学家夏彭提耶 (Emmanuelle Charpentier)共组的团队,则是试图将 CRISPR RNA和tracrRNA接成一段合成的单股 RNA,让更有效率的编辑基因强大工具 CRISPR∕Cas9诞生于世。......

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