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。

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｜紀威佑