CRISPR 基因與基因體學

時下最夯!基因編輯器 CRISPR

1987 年,大阪大學的科學家石野良純在大腸桿菌的 DNA 中發現了特別的重複序列,然而當時還不是很了解它的功能。15 年後,科學家終於解明了這個特別的序列,這個序列的組成有兩者,一為重複性的回文序列,二為散佈在這些序列間的非重複性序列(spacers)。科學家將其命名為 CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Panlindromic Repeats,常間回文重複序列叢集)。它可以做為細菌的防禦系統,用以摧毀外來的 DNA。我們可以這樣子想:CRISPR 等同於一個書櫃,那些非重複性的序列是不同的書,而隔開書與書的書架就是重複性的回文序列。當有外來 DNA 入侵時,細菌會從其 CRISPR 找到合適的 DNA,轉錄出 RNA 後和外來 DNA 配對。配對成功後,另個蛋白質 CRISPR-associated protein(簡稱 Cas 蛋白)會接上去,並且把這個 DNA-RNA 組合切斷,保護細菌免受攻擊。同時細菌也會把這個外來 DNA 納入 CRISPR 書櫃中,以增加它的多樣性。這樣子的系統我們叫他 CRISPR/cas,他就像一把極其精確的 DNA 剪刀般,可以把特定序列的 DNA 剪斷。

那麼這個細菌的防禦系統是怎麼變成時下最夯的 DNA 編輯器呢?首先,要編輯一段 DNA,首先就是把想要的序列插入特定的區塊,要選擇特定的區塊就需要及其精準的系統,這時候 CRISPR/cas 就派上用場了。因為 Cas 蛋白有很多種類,科學家選用了最適合的 CRISPR/cas9 來作為精準的DNA剪刀,並且把 CRISPR 中的 RNA 改成了更好用的人工版(天然系統中有兩段 RNA,以互補序列配對在一起,人工版直接把兩段用個髮夾彎序列連起來),如此一來可以切斷特定的 DNA 序列。

現在已經可以把 DNA 切在特定的點了,接下來呢?接下來靠的是細胞自身的 DNA 修復工具。當細胞 DNA 兩股都被切開時,主要會用兩種不同的方式來修復 DNA:若有同源染色體時可以直接把同源染色體當作模板修復,稱為同源重組(homologous recombination);若沒有同源染色體,那細胞就會亂塞一些鹼基到斷裂處把它補起來,稱作非同源性末端接合(non-homologous end joining)。想當然爾,科學家選用的是同源接合來達到編輯 DNA 的目的。具體做法就是合成一段同源基因,上面有想要的序列,把它丟到細胞裡,接著細胞就會把它當作模板修復被切斷的基因,修復完的基因上就會有我們想要的序列囉。

然而這個方法不是百分百的好,想想看,把一堆剪刀和模板 DNA 就這樣丟到細胞內讓他們反應,就算剪刀再怎麼精準,還是會有許多錯誤的切除,這就是所謂的脫靶效應(off-target effect),造成的結果就是低下的編輯效率和錯誤的突變。當然,比起之前的 DNA 編輯技術而言,CRISPR 已經大大地邁進了一步;然以一成熟穩定之技術為目標,科學家們尚需多加把勁。

圖、(A) 自然的 CRISPR/cas9 系統,由 crRNA(書本)和tracrRNA 互補配對後接上 Cas9 蛋白,作為精準的 DNA 剪刀。(B)人工合成的 gRNA,直接把 crRNA 和 tracrRNA 連在一起,使用起來也方便許多。 圖片來源:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4022601/

參考資料:

  1. Sander, J. D., & Joung, J. K. (2014). CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes. Nature Biotechnology, 32(4), 347-355. doi:10.1038/nbt.2842

撰稿人|威佑

About the author

紀威佑

紀威佑

臺大醫學系畢業,曾為臺大iGEM代表隊成員,曾於台大、中研院、AMC實驗室進行實習。對科普推廣與寫作有很大的興趣,希望能和志同道合的朋友交流,並做為知識的傳播者為科學社群盡一份心力。

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  • […] CRISPR/Cas9 基因編輯技術是開發自細菌的免疫系統,CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Panlindromic Repeats)是細菌 DNA 中一段特別的序列,相當於儲存外來病毒 DNA 的資料庫,Cas 蛋白則扮演劊子手,依據資料庫的資訊找到外來 DNA 並加以切斷,從而保護了細菌的生命安全。(延伸閱讀:時下最夯!基因編輯器 CRISPR) […]