唐獎回顧報導—2016第二屆唐獎生技醫藥獎得獎主題：CRISPR

2016 年的唐獎生技醫藥獎以 CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Panlindromic Repeats) 為主題，頒發三位獲獎人：張鋒、伊曼紐·夏彭提耶 (Dr. Emmanuelle Charpentier) 、和珍妮佛·道納 (Dr. Jennifer Doudna) ，以表彰其在發展 CRISPR/Cas9 基因編輯平台的卓越貢獻。

The Investigator Taiwan 就此蓬勃發展的 CRISPR 系統主題曾撰寫一篇詳盡的介紹文 [1]，過去亦陸續分享不少相關研究與跨領域應用文獻 [2]，此次我們希望再帶讀者回顧一次這個蓬勃發展的技術，並一窺近期研究進展突破！

CRISPR 的發展以 1987 年大阪大學科學家石野良純於大腸桿菌中發現特別的重複序列作為開端，但直至2002 年，科學家才確立了此特別重複序列的兩個特性：序列重複且回文、重複序列隔開不同的非重複性序列 (spacers) ，並命名為 CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Panlindromic Repeats) [3] 。經後續研究發現，CRISPR 是為細菌對抗外來基因的免疫機制，當外來 DNA 入侵時，spacers 中相對應的 DNA 片段會轉錄出 crRNA 與外來 DNA 片段配對結合，接著 CRISPR-associated protein (cas蛋白) 會接上此 DNA-crRNA 組合並將該段目標外來 DNA 破壞，如是新的外來 DNA，則會先由 cas 蛋白複合體辨認並製造出相對應 spacer 加入 CRISPR 重複片段之間[4]。

CRISPR/cas 系統中因能辨識特定片段 DNA 辨識的機制被科學家進一步應用於基因編輯，最普遍使用的 cas 蛋白為 cas9。自然界中 CRISPR/cas9 系統中另外有 tracrRNA 與前述 crRNA 相結合，協助引導與外來目標 DNA 片段配對；而在應用上則是人工合成 tracrRNA 與所需之 crRNA 而成 gRNA ，並與 cas9 蛋白結合 [3]，進行後續基因編輯、調控甚至標定等實驗所需作業。

隨著研究進展，科學家持續解析 CRISPR/cas 系統機制，近期也發現 anti-CRISPR 的存在，應用上除了擴充用於真核細胞，各地研究團隊也開發其他適用的 cas 蛋白並精進 CRISPR/cas 技術方法，如包含伊曼紐·夏彭提耶在內的歐洲研究團隊針對 CRISPR/cas 系統進行改善 [5]、珍妮佛·道納研究團隊近期取用嗜熱脂肪芽孢桿菌 (Geobacillus stearothermophilus) 之 cas 蛋白 GeoCas9，以擴充 CRISPR/cas9 系統的適用溫度範圍並用於人類細胞中 [6]、張鋒研究團隊則開發 cas9 以外的 cas 蛋白，如 cas12、cas13 [7]。

CRISPR 自發現至今已逾 30 年，2016 年的唐獎已肯定了 CRISPR/cas 系統的重要性。科學家們仍前仆後繼地研究並應用 CRISPR/cas，其不僅是作為基礎研究的良好工具，更能提供疾病研究診治上的突破。未來相信會持續有更多豐富的研究成果，亦期待能為人類健康所帶來的福祉！

參考文獻：
[1] 【時下最夯！基因編輯器CRISPR】 https://goo.gl/VPUwk1
[2] The Investigator CRISPR 相關文章彙整：https://goo.gl/qcJsE7
[3] Jeffry D Sander & J Keith Joung, CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes, Nature Biotechnology volume 32, pages 347–355 (2014). https://doi.org/10.1038/nbt.2842
[4] Patrick D. Hsu, Eric S. Lander, Feng Zhang, Development and Applications of CRISPR-Cas9 for Genome Engineering, Cell 157, June 5, 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.05.010
[6] Labuhn, M., Adams, F. F., Ng, M., Knoess, S., Schambach, A., Charpentier, E. M., … Heckl, D. (2018). Refined sgRNA efficacy prediction improves large- and small-scale CRISPR–Cas9 applications. Nucleic Acids Research, 46(3), 1375–1385. http://doi.org/10.1093/nar/gkx1268
[7] Harrington, L. B., Paez-Espino, D., Staahl, B. T., Chen, J. S., Ma, E., Kyrpides, N. C., & Doudna, J. A. (2017). A thermostable Cas9 with increased lifetime in human plasma. Nature Communications, 8, 1424. http://doi.org/10.1038/s41467-017-01408-4
[8] Abudayyeh, O. O., Gootenberg, J. S., Essletzbichler, P., Han, S., Joung, J., Belanto, J. J., … Zhang, F. (2017). RNA targeting with CRISPR-Cas13a. Nature, 550(7675), 280–284. http://doi.org/10.1038/nature24049

撰文│黃云宣
審稿│張彥安