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後人類時代(上):科學家如何發現基因「可編輯」?

左為細菌學者夏邦提耶(Emmanuelle Charpentier),右為生化學...
左為細菌學者夏邦提耶(Emmanuelle Charpentier),右為生化學者杜德娜(Jennifer Doudna)。 圖/路透社

2011年春,細菌學者艾曼紐.夏邦提耶(Emmanuelle Charpentier)為一個問題請教生化學者珍妮佛.杜德娜(Jennifer Doudna),這兩人起先的討論似乎和人類基因或基因組工程並沒有多大關係。

夏邦提耶和杜德娜兩人赴波多黎各參加一場微生物學會議,她倆一邊聊天,一邊穿過聖胡安老城的巷弄,行經拱門色牆赭白相間的屋宇。夏邦提耶告訴杜德娜她對細菌免疫系統的興趣,即細菌保衛自己免受病毒的機制。病毒和細菌之間的戰爭如此長久慘烈,就像難分高下的古老宿敵:彼此的對立已根深柢固銘印在各自的基因上。病毒已演化出遺傳機制,要侵略並殺死細菌,而細菌也同樣演化出抗敵的基因。杜德娜知道:病毒感染就像滴答作響的定時炸彈,細菌只有幾分鐘能拆除炸彈引線,否則就會摧毀。

基因剪切的靈感來自優格細菌?

2000年代中期,兩位法國科學家菲利普.霍瓦特(Philippe Horvath)和魯道夫.布蘭戈(Rodolphe Barrangou)無意中發現了這種細菌自我防禦的機制。霍瓦特和布蘭戈兩人都是丹麥的丹尼斯克(Danisco)食品公司員工,負責研究製造起士和優格的細菌,他們發現有些菌種已演化出一種系統,能夠在入侵病毒的基因組上同步剪切,使之麻痺(有點像某種分子閘刀,能憑持續入侵者的DNA序列辨識出它們的身分)。剪切並非隨機發生,而是針對病毒DNA的特定位點。

他們很快就發現細菌的防禦系統至少包括兩個要素,第一個是「搜尋者」,在細菌基因組內編碼的一個RNA分子,其能夠比對辨識出病毒的DNA。這種辨識的原則又是透過結合——「搜尋者」RNA能夠找到並辨識入侵病毒的DNA,因為它就是那個DNA的鏡像(對方是陽,它就是陰)——這就好像把敵人永恆的影像揣在自己口袋中,或者就細菌而言,是把倒置的照片,永久蝕刻在自己的基因組內,無法消除。

防禦系統的第二個要素是「殺手」。一旦藉由反像辨識出病毒DNA,並比對出是外來侵略者,就會派出稱為Cas9的細菌蛋白,對病毒基因痛下殺手。「搜尋者」和「殺手」相輔相成,唯有在序列比對辨識出來之後,Cas9蛋白才會剪切基因組,這是經典的合作組合——監測者和執行手、無人機和火箭砲、邦妮和克萊德。

一生都在研究RNA生物學的杜德娜對這個系統很有興趣。起先她覺得這很奇特,後來她說「這是我所研究過最難解的事物」,但和夏邦提耶一起工作後,她開始小心翼翼地把它分解,探究其組織成分。

2012年,杜德娜和夏邦提耶發現這個系統「可編程」。細菌當然須攜有病毒基因的圖像,才能尋覓並摧毀病毒;它們並沒有辨識或剪切其他基因組的理由,但杜德娜和夏邦提耶對細菌的自我防禦系統知之甚詳,知道怎麼欺騙它:只要用誘餌辨識元素取代原本的辨識元素,就能讓系統對其他基因和基因組進行蓄意剪切。她們發現只要代換「搜尋者」,就也許可以找到並剪切不同的基因。

近期引起熱議的深圳南方科技大學副教授、科學家賀建奎,宣稱一對名為露露和娜娜的基因...
近期引起熱議的深圳南方科技大學副教授、科學家賀建奎,宣稱一對名為露露和娜娜的基因編輯雙胞胎嬰兒誕生。 圖/美聯社

讓「乾淨簡潔」的基因治療成為可能?

上一段倒數第二句應會讓任何人類遺傳學者都心癢難搔,因為在基因上「蓄意剪切」就可能會造成突變。大部分的突變都是在基因組中隨機發生;我們無法命令X光或指揮宇宙射線,只針對囊性纖維化基因或戴薩克斯症基因。但在杜德娜和夏邦提耶的例子上,突變並非隨機出現:剪切可以經設計,發生在自我防禦系統辨識的位置,杜德娜和夏邦提耶只要改變辨識元素,就能重新導引它攻擊某個特定的基因,讓這個特定的基因依照她們的意思突變。

這個系統還可以進一步操控,當基因切開,露出DNA的兩端,就像被切斷的線一樣,可以修剪。剪切和修剪是為了要修補破損的基因,基因會尋找未受損的副本,恢復喪失的信息。就像物質貯存能量;基因組的設計便是用以貯存信息。通常被切開的基因會由細胞內此基因的另一份副本恢復丟失的信息,但如果細胞裡都是外源DNA,基因就會糊里糊塗地由誘餌DNA複製信息。寫在誘餌DNA片段上的信息就如此這般地永遠地複製到基因組內;就像把句子裡的某個字擦掉,然後在原處寫上另一個字代換。

依此做法,預定的基因改變就可以寫入基因組:一個基因中的ATGGGCCCG便可以改變為ACCGCCGGG(或任何想要的序列)。突變的囊性纖維化基因就能改正為「野生型」基因;能夠抗病毒的基因就可被引入生物體;突變的BRCA1基因則可被復原為野生型;許多單調重複序列的突變亨丁頓基因則可能打斷並刪除。這種技術命名為基因組編輯(genome editing)或基因組手術(genomic surgery)。

2012年,杜德娜和夏邦提耶在《科學》發表了她們對這種稱作CRISPR/Cas9微生物防禦系統的報告,立刻引燃了生物學家的想像力。在這篇革新研究發表後的三年中,各界如火如荼地使用此技術。不過,此方法依舊有些基本限制:剪切的信息偶爾會傳遞到錯誤的基因,有時修補效力不夠,很難在基因組特定位置「重寫」信息。

但是,比起任何改變基因組的方法,此方法都更容易、更強力、更有效。在生物學史上,這樣的科學研究機緣屈指可數。一種由微生物自行創造的神祕防禦機制,由優格的研究人員發現,再由RNA生物學家重新編程,創造了活板門,通往遺傳學者數十年來屢求不得的革命性技術:對人類基因組進行特定、高效能和指定序列的修飾方法。這個系統可以讓基因治療先驅理查.穆利根夢想的「乾淨簡潔的基因治療」成為可能。

用基因編輯來修飾親代胚胎幹細胞,那麼任何基因改變就都可以永久蝕刻在人類基因組中。...
用基因編輯來修飾親代胚胎幹細胞,那麼任何基因改變就都可以永久蝕刻在人類基因組中。 圖/新華社

把胚胎幹細胞轉化為生殖細胞

要達到人體基因組永久刻意修飾,還需要完成最後一步:必須把在人類胚胎幹細胞所做的基因改變納入胚胎之中。但是,直接把人類胚胎幹細胞轉變為能生存的人類胚胎,不論在技術或道德上都匪夷所思,即使人類胚胎幹細胞能在實驗室的環境下分化為各種人體組織,也難以想像把人類胚胎幹細胞直接植入女人子宮,期望這個細胞能自動長成能人類胚胎存活。把人類胚胎幹細胞植入動物體內,這些細胞頂多只能形成人類胚胎胚層的鬆散組織,這離人類胚胎發育過程中受精卵的解剖學和生理學協調配合相去甚遠。

一個可能的替代方法是在胚胎達到基本解剖形式,即受孕數天或數週之後,再對整個胚胎做整體遺傳修飾。但這種策略也有其困難:人類胚胎一旦形成胚層,基本上就很難再做基因修飾。姑且不論技術上的問題,這種實驗在倫理上造成的不安遠超過任何其他考量:在人類活體胚胎上做基因組修飾顯然會引發各種遠超過生物學和遺傳學範疇的問題。在大多數國家,這已超越了許可的界限。

不過還有第三種策略,可能最為可行。假設用標準基因修飾科技,把基因的修改導入人類胚胎幹細胞內,經過基因修飾的胚胎幹細胞就可以轉化為生殖細胞(精子和卵子)。如果胚胎幹細胞真的是多功能幹細胞,就該能分化為人類的精子和卵子(畢竟真正的人類胚胎會生成自己的生殖細胞)。

現在,想像一下:如果將經過這樣基因修飾的精子或卵子體外受精,創造出人類胚胎,胚胎所有的細胞必然都帶有這種基因改變,包括精子和卵子細胞在內。我們可以測試這個程序的初級步驟,而不必改變或操控真正的人類胚胎,因而安全避開操控人類胚胎的道德界限。最關鍵的是,這個過程用已有的試管嬰兒療程模擬:精子和卵子在體外受精之後,把早期胚胎植入女性體內;這個程序不太會引發疑慮,這是生殖細胞基因治療的捷徑,以基因改造人類的後門。把胚胎幹細胞轉化為生殖細胞,讓基因得以順利引入人類生殖細胞。

基因改變永久蝕刻在人類基因組中

隨著科學家提升改變基因組的系統,最後的挑戰也即將解決。2014冬,英國劍橋和以色列魏茲曼科學院(Weizmann Institute)的胚胎科學團隊開發了一套系統,用人類胚胎幹細胞產生原始生殖細胞 (將成為精子和卵子的前體細胞)。

先前的實驗使用人類胚胎幹細胞較早的版本,未能創造出這樣的生殖細胞,不過以色列的研究人員在2013年進行改良,分離出新的胚胎幹細胞,更容易形成生殖細胞。一年後,他們和劍橋的科學家合作,發現如果在特定的條件下培養這些人類胚胎幹細胞,並且用特定的誘導劑引導它們分化,細胞就會形成一團一團的精子和卵子前體細胞。

這個技術目前還很麻煩且效率很低,顯然,因為人造人類胚胎的法規嚴格,究竟這些精子和卵子等細胞能不能發育為正常發展的人類胚胎還不得而知,不過能夠傳遞遺傳的基本細胞已出現。原則上,如果能用基因編輯、基因手術或病毒插入基因等任何遺傳技術,來修飾親代胚胎幹細胞,那麼任何基因改變就都可以永久蝕刻在人類基因組中,代代相傳。

中國研究團隊首次利用基因編輯技術和體細胞核移植技術,成功培育出世界首例亨廷頓舞蹈...
中國研究團隊首次利用基因編輯技術和體細胞核移植技術,成功培育出世界首例亨廷頓舞蹈病基因敲入豬。 圖/新華社

※ 本文摘自《基因:人類最親密的歷史》第六部,原標題為「基因治療:後人類時代」,更多內容請參本書。

▍下篇:

後人類時代(下):基因編輯大哉問,為何不讓我們更適合生存?


《基因:人類最親密的歷史》
作者:辛達塔.穆克吉(Siddhartha Mukherjee)
譯者:莊安祺
出版社:時報出版
出版日期:2018/07/24

《基因:人類最親密的歷史》書封。 圖/時報出版提供
《基因:人類最親密的歷史》書封。 圖/時報出版提供

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