書評,好書推薦,書籍推薦,好書導讀,書籍導讀導讀 | 每天替你導讀好書 | 知識家

  • 矽谷工程師不張揚的破壞性創新:黑科技


    9 五月 2018 大是文化


    (圖片來源:pixabay)

    文/時珍

    是什麼樣的生物新黑科技,開啟了基因編輯技術時代的大門?是什麼發現讓科學家與好萊塢明星同臺,獲得矽谷億萬富翁贊助的「豪華版諾貝爾獎」?又是怎樣的事件觸發全球科學家及社會輿論,對生物技術安全和倫理進行大討論?

    以上這些問題的答案,都是一個長到連生物學家都記不住的名字:成簇規律間隔短回文重複序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)。大家都乾脆親切稱呼由它的英文首字母組合成的新詞——CRISPR。CRISPR作為一種最新也最受矚目的基因編輯技術,為人類遺傳病的治療帶來了新的希望,而對CRISPR安全性的考量及對倫理上的挑戰,也同樣是它成為萬人關注焦點的重要原因。

    CRISPR的故事要從它誕生那一刻講起:在1990年代,科學家就發現一小段很奇特的細菌DNA序列。這一段看起來無厘頭的序列,成為長達兩個世紀的不解之謎,最終居然與乳品業的科學家,為了提高優格發酵菌的抗性所做的研究不期而遇。科學家透過研究CRISPR,意外發現它是細菌的「獨門神功」,小小的細菌竟然也有一套免疫系統;而就在科學家不斷深入了解它的同時,生物技術科學家也獲得了編輯基因組的新「殺手鐧」⋯⋯那麼,到底什麼是CRISPR?且讓我從頭說起它的前世今生。

    CRISPR:細菌的獨門神功

    雖然有些討厭的細菌會讓人生病,但實際上絕大多數細菌都與人「和平共處」。另外,很多種細菌還是人類的朋友,它們被應用於發酵工作,幫助人類生產食品、藥物以及清潔能源。

    細菌也會生病,它的敵人主要是被稱為「噬菌體」的病毒。噬菌體寄宿在細菌內後,會啟動一套「駭客」程式,盜用細菌體的材料和能量,來生產和包裝數以萬計的病毒。隨著這些新病毒的釋放,一個細菌體便化為烏有。這對主要依賴細菌進行發酵的乳品業(例如優格和乳酪工業),是個麻煩的問題。

    為了幫助細菌有效抵抗噬菌體,科學家進行了很多研究。他們發現了有趣的現象:在細菌與噬菌體的戰役中,雖然噬菌體通常大獲全勝,但細菌並沒有全軍覆沒。

    更重要的是,這些頑強存活下來的極少數細菌,再次遇到同種的噬菌體時,能非常有效抵抗噬菌體的攻擊。這些存活下來的細菌究竟有什麼「過人之處」,能戰勝噬菌體?正是這個問題促使生物學家不斷研究。2007年,這個問題終於有了答案。

    答案的線索可以追溯到1987年,日本科學家在幾種細菌的基因組中,發現很奇特的一段重複序列。每個重複的單元是一小段序列,接著一段它的反向序列(生物學上稱為「回文」),再接著一小段看上去很隨機的序列(科學家稱為「間隔序列」)。這樣的單元可以重複許多次,連成一串排在細菌的基因組裡(Ishino et al. 1987)。

    因為實在令人費解,這篇論文當時並沒有在科學界引起重視。在接下來約20年中,隨著基因組測序的普及,科學家不斷在多種細菌和古生菌的基因組中,都發現這個奇特的重複序列。這讓科學家更好奇,這奇特的重複序列也獲得了自己的學術大名——成簇規律間隔短回文重複序列(Jansen et al. 2002)。因為又拗口又難記,科學界都只稱呼它的英文首字母的組合——CRISPR。

    幾位西班牙科學家,收集了來自於幾十種不同細菌基因組中,其上千段CRIPSR的「間隔序列」,在一個包含當時所有已知基因組的資訊庫裡進行序列比對,找尋還有哪些生物可能具有類似的序列。

    結果,許多「間隔序列」居然和一些噬菌體基因組序列高度一致(Bolotin et al. 2005, Mojica et al. 2005, Pourcel et al. 2005)。細菌用一種奇特的方式,小心翼翼收藏著敵方的資訊。莫非,這些資訊是用來對付噬菌體的?

    為了證明這個猜想,來自於丹麥Danisco生物製品公司(現被杜邦公司收購)的科學家,進行了一組嚴格控制的實驗。科學家選擇用於乳品發酵的嗜熱鏈球菌作為研究對象,篩選出在噬菌體寄宿後,產生抵抗性的菌株,與噬菌體寄宿前,不具備抵抗性的菌株進行比對。

    結果發現,在產生抵抗性的菌株的CRISPR位點上,插入了一個新的重複單元。而這個單元的間隔序列,恰好與噬菌體完全匹配。而當他們把這一個序列單元,從有抗性的細菌基因組移除後,發現這些細菌就不再對同種噬菌體有抗性。

    最直接、最震撼的證據是,當他們把這個序列單元,插入到一個本來不具有抗性的細菌CRISPR位點後,這個改造過的細菌,居然就能頑強抵抗這種噬菌體。2007年的那個春天,這篇論文發表在最頂尖的《科學》雜誌上(Barrangou et al. 2007),就此打開了生物科學界一扇新的大門。

    這個發現,為科學家帶來更多的疑問:最重要的問題包括,細菌到底是怎麼利用噬菌體的這一小段DNA序列,扭轉戰局、轉敗為勝?

    CRISPR的神奇搭檔:「搜尋引擎」和「剪刀手」

    雖然在不同種細菌裡,具體機制有所差別,但最基本的原理,都一致而且簡單:細菌透過這一小段序列,就能準確定位噬菌體相對應的序列,然後喀嚓一刀把噬菌體的DNA鏈剪斷。被剪斷基因組DNA鏈的噬菌體,就像被敵方拔掉了大旗,再也無心進攻。

    非常有趣的是,細菌抵抗特定種類的噬菌體,其本領是可以保留的:每次和一種新的噬菌體交手後,細菌就會把敵方的資訊,收藏到CRISPR位點中,用於以後抵禦同一種噬菌體,這是典型的反攻型戰略。

    一直以來,大家都認為只有高等生物,例如人類,才擁有這種可以用來對付細菌和病毒的特異性免疫系統(當然,人類的免疫系統主要是由特異性的免疫細胞組成,與細菌的CRISPR系統完全不同)。而事實上,細菌在與病毒上億年的持久戰中,就進化了這一套獨門神功。

    電腦版的生命科學論

    每種生物都有自己的一套基因組。基因組就像一段很長的原始程式碼,比電腦的「0」、「1」字元稍稍複雜,基因組主要有「A」、「G」、「C」、「T」四種字元(它的生物學名叫做鹼基)。人類的基因組由約30億對鹼基序列構成,包含著一個個體生長發育的所有資訊。

    自1990年啟動的「人類基因組計畫」,被稱為「生命科學的阿波羅計畫」,這項偉大工程的任務只有一個:辨識人類基因組全部的序列。

    測序工程從1990年啟動,2001年完成草圖,同年2月,兩大生命科學領域最頂尖的雜誌《科學》和《自然》,同時在封面報導人類基因組計畫草圖,這一里程碑式的事業。

    2003年,科學家最終完成了99%的人類基因組序列測定。而有了人類生命的序列代碼,只是了解生命奧祕的第一步,因為基因組使用著高深的代碼語言,只有破解出這門語言的結構,才能讀懂基因組這本「天書」。也就是說,遺傳學和基因組學的主要任務,就是研究清楚基因組中,一段段代碼如何控制我們的身高體重、相貌性格等。

    遺傳學家的研究方法很直接,就是刪除或修改一段代碼後,觀察個體性狀發生的變化,以此來推測這段代碼的功能。聽起來簡單,操作起來卻極具挑戰性。首先,要在上億個鹼基序列中,精確定位到某段代碼,如果沒有高效率的搜索方法,這項工作就如同大海撈針。雖然科學家已發明了很多技術來實現基因編輯,但幾乎沒有一種方法是既準確高效率、簡單又低成本。

    而科學家在2011年,了解CRISPR的分子學機制後,立刻意識到,細菌的這一套本領是大自然給基因編輯領域的一份贈禮。於是幾個小組快馬加鞭研究,如何利用CRISPR完成基因編輯。為什麼CRISPR讓科學家如此興奮?他們最終如何妙用細菌的「神器」?

    基因編輯決勝法寶之一:搜尋引擎

    首先,CRISPR系統的非凡之處在於它的精確定位系統。要在一本30億字的「天書」裡,準確定位到一個目標絕非易事。如果用於搜索的「關鍵字」太短,那麼在基因組的多個位置,都可能出現同樣關鍵字,這在基因編輯上是非常可怕的錯誤:因為它可能導致對目標之外的代碼進行變動。

    理想的搜索方式是對一段長度(約為20~30個鹼基對)進行精確匹配,因為在20個鹼基對的序列中,「A」、「T」、「C」、「G」四種字元隨意排列組合的種類,就有420=1.1×1012種。從機率上計算,同樣的一個序列大約在一兆長的鹼基對序列裡,才會出現一次,因此在30億個鹼基對長的人類基因組中,出現完全同樣序列的機率極小,也就是說,出現命中目標之外的機率是極小的。

    可惜的是,以往基因編輯的「搜索工具」,要麼搜索的「關鍵字」太短,要麼搜索時的匹配精準率還不夠高,而CRISPR幾乎滿足最理想化的搜索方式。在細菌在與病毒上億年的苦戰中,細菌只有掌握極其快速準確的定位,才能成功切割噬菌體的基因組,同時不出現錯切自己的基因組這樣的「烏龍事件」。在這樣的生命對決中進化而成的CRISPR神功,它的精確定位功能,對生物學家而言實在是天賜之喜。

    基因編輯決勝法寶之二:神奇「剪刀手」

    精確定位到目標還只是成功的第一部分,接下來如何對代碼修改,也大有講究。基因組是所有生命的「藍圖」,幾乎包含著一個生命體所有的資訊。因此每個細胞,都擁有極其嚴格的保護機制,以確保這些最珍貴的生命代碼不被輕易更改,這就像對檔案加鎖保護。

    生物學家的解決方法,是在找到需要修改的位點後切斷DNA鏈,這樣就像解除了保護,同時激發細胞啟動修復程式。有趣的是,細胞常使用的兩套修復方案,分別被生物學家用來做不同的編輯功能。

    一種是「模糊修復」,這種相對簡單的修復方案,就是重新搭接上被切斷的DNA鏈,但在搭接的過程中,經常會導致DNA鏈上個別代碼的更改。而在基因組的功能區域,哪怕是單個字元的缺失、插入或更改,都可能導致整個一段代碼失效。因此,生物學家恰好利用了「模糊修復」極易出錯的這一特點,來讓一段代碼失效,這種技術也被稱為「基因剔除」。

    另一方面,在一些基礎研究和絕大多數臨床應用中,都需要對代碼精確編輯。於是,科學家就要利用細胞的精準修復功能。由於絕大多數物種的基因組都有雙數對的、分別來自於父親和母親的完整代碼本,在其中一個代碼本的DNA鏈受到損傷後,細胞會完全按照另外一套代碼本的序列進行修復。

    雖然來自於父母親的代碼本不完全相同,但在絕大多數位點都是一致的,所以細胞使用這套「精準修復」保證重要資訊的完整性。有趣的是,細胞按照另外的代碼本進行修復的這個特性,也為基因編輯帶來了機會。

    科學家想出辦法為細胞提供一段人造的代碼本,這樣細胞按照科學家提供的樣本修復後的DNA序列,就正好是編輯後的序列。

    讓我們重歸CRISPR正題。神奇的是,細菌的CRISPR恰恰具有這兩大重要系統的功能,即搜尋引擎和一個「剪刀手」。這樣一來,這對絕妙搭檔不僅是細菌戰勝噬菌體的法寶,也變成了生物學家編輯基因組的利器。

    能把CRISPR用於基因編輯,歸功於加州大學柏克萊分校詹妮弗.杜德納(Jennifer Doudna)實驗組,和瑞典于默奧大學埃馬紐埃爾.卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)實驗組。

    在2010年到2012年,她們合作發現了細菌裡最簡單的CRISPR系統,在此系統上,又進一步合併了其中的搜索元件。於是,大大簡化後的CRISPR系統,只需要一個被稱為CAS9的蛋白和一段序列:這段序列就是搜索神器,引導CAS9蛋白這個「剪刀手」,來實現定點剪切功能。同時,科學家發現這套CRISPR系統在細菌以外的生物體也可以正常工作。

    這一系列研究都為CRISPR用於高等生物基因編碼鋪平了道路。最終,2013年年初,CRISPR轉化為生物工具,來自於麻省理工學院的張鋒組,和哈佛大學的喬治.丘奇(George Church)組,同時發表利用CRISPR實現基因組編輯的新技術。

    他們在高等生物(例如人類)的細胞中,表達CAS9蛋白和一段靶向人類基因組的引導序列。這樣CAS9「剪刀手」,就可以準確在人類基因組的靶向位點剪切,來實現「基因剔除」。同時,科學家也可以提供一段額外的代碼本,來達到精確編輯。於是,一個蛋白和一段DNA序列,就這樣開啟人類基因組的新編輯時代。

    以上內容由大是文化授權刊登,未經允許請勿轉載。
    ◎更多精彩內容,請見:《矽谷工程師不張揚的破壞性創新:黑科技

    知 識 家
    INSTAGRAM

    知 識 家

    <-- hide ad code-->