2018 年 11 月，中国基因编辑宝宝引起举世哗然！这个事件的前因，要追溯到 2012 年横空出世的基因剪刀 CRISPR，让人类从此可精准、快速、便宜的编辑 DNA。但这把剪刀目前还有技术瓶颈，只适合治疗可拿出体外的免疫细胞。《研之有物》邀请中研院生物化学研究所、专研 CRISPR 的凌嘉鸿助研究员，介绍这项正在翻转世界的基因神器。
编辑人体基因，就是修改人体 DNA，主要动机是根治基因突变引发的疾病。
“但是，我们真的需要基因编辑来治病吗？”
事情是这样的：DNA 是生命的蓝图，指挥细胞生产蛋白质，维持人体的生长与运作。当 DNA 的重要位置发生突变，“细胞工厂”运作会失控，就可能造成生理失调，甚至像白血病等重大遗传疾病。
“生病了，可以吃药。但基因突变造成的疾病，药物只能控制病情。”凌嘉鸿继续解释：“因为从蓝图就错了，细胞永远只能制造错误的蛋白质。想要根治，最好直接更正蓝图，修改 DNA。”
基因编辑，可以从源头下手，找到错误的 DNA 片段，用一把分子“剪刀”切开，剔除这个错误的基因，或是在缺口处“贴上”正确的 DNA 片段。
▲ 过去基因突变引发的疾病，药物无法根治，必须终身吃药。现代的基因编辑技术，可以彻底根治基因缺陷，就像用文书软件修改错误一样：找到错字（发现突变基因）、删除错字（剪下突变基因）、补上正确的字（贴上正确基因）。
所以首先，必须要有一把精准、能够剪开 DNA 双螺旋的好剪刀，CRISPR 就是当前最好用的一把。有趣的是，它来自细菌的免疫系统。
细菌里的基因剪刀
1987 年，日本科学家在大肠杆菌的基因体发现一段古怪的规律序列，某一小段 DNA（Repeat）会一直重复，重复片段之间又有一样长的间隔（Spacer），用途不明，科学家把这段序列称为 CRISPR（clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats）。后来发现，许多细菌都有 CRISPR，它是细菌免疫系统的一种机制，可以记忆曾经来犯的病毒。
想不到，这个看似不起眼的 DNA 片段，将会引爆基因编辑的大狂潮！
故事是这么开始的：当病毒入侵细菌，会把自己的 DNA 注入到细菌中，企图霸占细菌工厂的资源，复制新病毒，但细菌也不会乖乖挨打，它们的免疫系统可以辨识、摧毁病毒的 DNA。这是一场微观世界的闪电战，细菌的反击必须够快、够准，才有机会存活！
有些细菌侥幸存活后，会挑选一段病毒的 DNA 碎片，插入自己的 CRISPR 序列（增加一段 Spacer），就像为病毒建立“罪犯数据库”。当病毒第二次入侵，细菌就能依靠 CRISPR 序列快速认出这种病毒，第一时间反杀，提高存活率。
▲ 细菌遇到病毒入侵，细菌的 Cas9 会剪下病毒的一段 DNA，插在自己的基因组上，就好像为病毒建立“罪犯数据库”。
细菌是如何认出病毒的呢？首先，细菌会用旧病毒的 DNA 片段（Spacer）当模板，打造一条互补的引导 RNA，例如病毒 DNA 的碱基是 T、RNA 是 A，DNA 是 G、RNA 是 C，或是互相颠倒。引导 RNA 再利用这种互补关系，比对新病毒 DNA 片段，如果可以互补，表示新旧病毒相同。
然后，一种可以切割 DNA 的酵素 Cas9（武装警察），会抓着这段引导 RNA（嫌犯资料），前去“盘查”新病毒的 DNA，看看有没有跟引导 RNA 互补的段落。这一次反过来，RNA 是 A，DNA 是 T；RNA 是 C，DNA 是 G，或是互相颠倒。
一旦找到了，Cas9 立刻剪开“被认出”的 DNA 片段。DNA 被剪断摧毁，病毒就没戏唱了。这种细菌的免疫机制，称为 CRISPR-Cas9。
基因神剪 CRISPR
这么基础的细菌免疫学，跟基因编辑有什么关系呢？想想，基因编辑的关键是：找到一把可以切开 DNA，又不会随便乱剪的分子级剪刀。细菌的 Cas9 酵素，凭著一段引导 RNA，就能精准“喀擦”锁定的 DNA 片段。好剪刀，不用吗？
实务上的操作方法很简单：先将 Cas9 做好、放入冰箱，想要剪某段 DNA，就订做一条互补的引导 RNA。然后将 Cas9 解冻、与引导 RNA 结合，再用电击的方式进入细胞，让它去剪下错误的基因。
坏基因剪下来了，怎么贴上好的基因？因为细胞天生会自动修补受损的 DNA，只要把正确的基因送进细胞核，就有机会被细胞拿来修补 Cas9 剪下的断口，完成基因编辑！
基因编辑技术大跃进
CRISPR 不是第一把基因剪刀。早在 1990 年代，科学家就开发了许多种能“剪开”DNA 的酵素。每种酵素有自己的特殊结构，只能跟特定的 DNA 片段结合，借此精准切割目标基因。只不过，如果研究者想剪开另一段 DNA，即使序列只有一点点差异，也要花费两三个月重新设计、组装全新的酵素，技术复杂、耗时又花钱。
直到 2012 年，科学家找到 CRISPR 这把神剪！它不像过去的酵素剪刀：剪一种基因，设计组装一把酵素剪刀。CRISPR 从头到尾只用一把万能酵素剪刀 Cas9，加上一条引导 RNA，就能切割所有的 DNA。目标基因换了，订购一条 RNA 就好，不需要重新设计复杂的酵素，技术和价格门槛都非常低。
所以 CRISPR 一问世，立刻铺天盖地应用在细菌、真菌、动物、植物、人类医学。2010 年有关 CRISPR 的论文不到 50 篇，到了 2015 年，已暴增到 1,100 篇。
基因编辑治疗免疫疾病
“既然 CRISPR 这么好用，是不是可以终结所有的遗传疾病了？”可惜的是，这把剪刀还有很多技术上的瓶颈， 还不适合直接治疗人体细胞。
“最重要的瓶颈之一：这把细菌的基因剪刀用在人体的 DNA，不是百分百准确。”凌嘉鸿慎重提醒。
Cas9 能辨认的序列是 23 个碱基，但人体 DNA 碱基序列有 65 亿个，Cas9 想要找到正确的序列，宛如大海捞针。
以统计学方法来算，要从 65 亿个碱基序列里找到一条独一无二的序列，长度至少要 28 个，低于这个数字，找到的可能只是相似的序列，因此 Cas9 无法保证统统剪对位置。当 Cas9 切错位置，可能造成难以想像的副作用。
“目前比较安全的做法，是先从病人体内取出细胞修改，确定没问题再放回体内。”凌嘉鸿说。不过，大部分细胞、组织都不可能任意取出，只有随时悬浮在血液中的免疫细胞，抽血就能取得。 如果有人免疫细胞先天不足，可以先把它们取出体外，修改基因，例如把 T 细胞取出来，“教会”它们癌细胞长什么样子，再把“变聪明”的 T 细胞放回体内，找出癌细胞进行摧毁。
▲ 目前基因编辑还不适合直接编辑人体内的细胞，比较安全的做法是把细胞拿出，在体外编辑，例如：修正免疫细胞的基因，治疗免疫疾病。
最近几年，很多医药或癌症研究都转向 CRISPR，像中国很早就开始将 CRISPR 搭配免疫疗法，美国、欧洲也渐渐跟上。CRISPR 还可用在干细胞，先从病人身体取出干细胞，先在体外进行基因编辑，再放回体内分化成各种健康细胞，更是潜力无穷！
（作者：欧宇甜；本文由 研之有物 授权转载；首图来源：shutterstock）
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