【科技.未來】基因編輯新工具 真正做到「尋找與取代」?

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「基因剪刀」CRISPR-Cas9自2012年發表而來,迅即被視為基因編輯神器。上月底有科學家就宣布研發出稱為「優質編輯」(prime editing)的改良版,比現有更安全、準確和高效,欲真正發揮「尋找與取代」DNA功能。與此同時,各種基因編輯研發應用,未有因為約在一年前發生的賀建奎醜聞而停步,包括編輯人類胚胎。隨着基因編輯將會愈見準確,我們又是否準備好直面隨之而來的道德抉擇?

劉如謙近日研發出從CRISPR-Cas9改良的基因編輯工具「優質編輯」(Prime Editing),可減少誤中副車的可能性。(Broad Institute圖片/Erik Jacobs攝)

由美國博勞德研究所(Broad Institute)的生物化學家劉如謙及其團隊研發的新編輯技術,聲稱「理論上可修正大約89%已知的致病人類基因變異」。劉如謙預期:「(新技術的)潛在用處,包括可以直接修正更大段導致遺傳病的基因突變,並可在農作物引入DNA改變,以得到更健康和可持續的食物。」他補充,這工具也可令科學家更容易在實驗室中建立疾病模型,或研究某種指定基因的功能。

加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)分子細胞生物學家Fyodor Urnov對這項新技術大表讚賞:「整體來說,優質編輯的發明,是讓基因編輯者站立鼓掌的時刻。優質編輯有潛力成為特別強大的基因修復方式。」哈佛大學遺傳學家George Church亦說:「這是在對的方向上向前踏出了重大的一步。」劍橋大學生物化學教授Jussi Taipale就認為,終於「從一個基因剪除工具變成真正基因編輯工具」。加州大學柏克萊分校的CRISPR先驅杜德納(Jennifer Doudna)則樂見「CRISPR-Cas9工具盒內有另一件新工具」。

Prime Editing如何比現有CRISPR-Cas9更優勝。(香港01製圖)

基因文書處理器

雖然被渲染為功能前所未有強大,但基因編輯工具CRISPR在實際使用上其實頗為「粗暴」。CRISPR現時最廣為使用的版本由兩部份組成:負責切開DNA的「Cas9」蛋白,以及帶它到目標位置的「引導RNA」。CRISPR-Cas9就如一把剪刀把DNA雙螺旋都剪開,而所謂「編輯」,就是靠細胞本身自行把破壞修復來改變基因。但這修復系統並不可靠,或會在剪開之處加插或刪除DNA字母,在不同細胞之間,編輯效果也不一致。

即使科學家加入一個樣版來指引基因組如何編輯,幾乎都只會得出細小而隨機的加插或刪除,而不會把那預先準備的特定DNA序列複寫到原有一段上。批評者甚至把這種難以預測的改變稱為某種「基因破壞」。《自然:生物科技》(Nature Biotechnology)在今年7月中刊登的研究就審視了CRISPR編輯,發現編輯過程中會有通常長達數千個DNA字母被大量刪除,以及一些複雜的重新排列,本來相距甚遠的基因序列會被縫在一起。

去年11月,時為中國南方科技大學生物學家的賀建奎被揭發在無逼切醫療需要下,以基因編輯製造一對抗愛滋病的雙胞胎,引起全球譁然。(Getty Images)

儘管如此,初代CRISPR主要是想令基因失去功能,對於只需要刪除DNA的疾病治療仍有用處;但這工具備受爭議之處在於,它也有可能帶來「靶外效應」誤中副車,或引發無法預測甚至危害健康的基因變異,例如增加癌症風險。尤甚者是去年11月爆出賀建奎事件,被揭發在沒有迫切醫療需求下,以CRISPR編輯人類胚胎基因以抵抗愛滋病,一對孖生女孩因而誕生,消息震驚世界。今年6月刊於《自然醫學》的研究就發現,賀建奎編輯了CCR5基因,或會增加雙胞胎早死機率21%,也令她們更易受西尼羅河病毒、流感等傳染病感染。美國索爾克生物研究所(Salk Institute)首席研究員徐安祺呼籲科學界要更注視這些風險:「我確實認為,這問題在研究領域中未有得到應有處理。」

為解決這些問題,劉如謙先前曾研發出鹼基編輯(base editing)。這技術可在毋須斷開DNA雙鏈之下,把一個DNA字母換成另一個,例如T變成A,G變成C,這是CRISPR-Cas9所不能做到的。鹼基編輯可用於修正一些由單字母突變所致的遺傳疾病,包括最常見的鐮刀型紅血球症(sickle cell disease),但對由多字母突變所致的遺傳病,例如因四個額外字母造成的家族黑蒙性癡呆症(Tay-Sachs disease),就無用武之地。

劉如謙曾研發base editing,可比傳統CRISPR較準確治療單基因突變疾病,例如鐮刀型紅血球症,但無法用於多基因突變疾病。(Wikimedia Commons)

最新研發的優質編輯避免了這兩種編輯技術的難題。據上月底發表於《自然》(Nature)期刊的研究介紹,劉如謙保留了Cas9發揮搜索功能的部份,把剪刀的部份移除,以稱為「反轉錄酶」(reverse transcriptase)的另一種酵素取代。這樣,優質編輯的Cas9只會在目標位置的一條DNA鏈上割出缺口,然後反轉錄酶會按一條RNA的指引,在缺口處編輯基因。這過程好比文書處理軟件。首先,科學家會先準備好他們想要加入或改寫的基因字母序列,可想像為按「複製」鍵,然後Cas9就像滑鼠般找到DNA中正確的位置﹐最後,反轉錄酶就像按「貼上」鍵,用科學家準備的那段基因文字取代原有版本。

難完全取代舊技術

劉如謙的團隊在實驗室中嘗試過以細胞測試優質編輯,成功修復了一些導致疾病的基因錯誤,例如鐮刀型紅血球疾病(一個錯誤基因字母)、家族黑蒙性癡呆症(四個額外字母)和囊腫性纖維化(cystic fibrosis;三個字母缺失)。

劉如謙聲稱,可用prime editing治療近九成致病遺傳變異,包括常見的鐮刀型紅血球疾病、家族黑蒙性癡呆症、囊腫性纖維化等。圖為家族黑蒙性癡呆症患者,非修復個案當事人。(資料圖片/Getty Images)

此外,他們以人類細胞和老鼠神經元測試過優質編輯。在這兩種情況中,出現編輯位置錯誤的比例甚低,靶外編輯低於10%。成功率也很高,一般達20%至50%,視乎編輯種類,最高可達78%,其他CRISPR工具很難有雙位數的成功率。對於一些疾病,例如鐮刀型紅血球症,即使25%至30%的成功率,已足以減輕部份症狀。此外,只有1%至10%優質編輯細胞有非預期的字母增減,一些舊式的CRISPR工具至少90%。

不過,英國克里克研究院(Francis Crick Institute)遺傳學家Robin Lovell-Badge強調,優質編輯要真正應用於人體仍需要很多功夫:「正如研究作者指出,這些是新的方法,仍需要努力發展,證明足夠安全和有效。至今作者只曾在幾種人類細胞種類上進行實驗,這遠遠不足夠。」劉如謙指「首個研究只是開端」,其團隊將仔細評估優質編輯在不同細胞和生物上的效果。

Prime Editing分子巨大,實際使用上也有其缺憾。因此劉如謙也預期,CRISPR-Cas9(圖)在未來仍有其角色。(Getty Images)

另一CRISPR先驅張峰雖然認為劉如謙的研究「有創意」,但提醒若引入反轉錄酶,有可能把細胞中其他RNA複製DNA引入到基因組,造成意外編輯。澳洲國立大學遺傳學家Gaétan Burgio則指出,從分子來說,優質編輯工具十分巨大,難以靠科學家慣常使用病毒的方式將編輯工具帶到細胞。這些「龐然大物」甚至可阻塞微注射針頭,以致難以應用到老鼠或人類胚胎。他認為這一點或許令優質編輯比現有技術較難應用。

美國馬薩諸塞大學(University of Massachusetts)醫學院分子生物學家Erik Sontheimer認為,優質編輯的另一問題是,科學家需要把想改動的DNA編碼在一條RNA鏈上,而愈長的鏈就愈容易被細胞所在的酵素損毀,所以優質編輯或許無法像CRISPR Cas9般作出重大的DNA加插或刪除,很可能無法完全取而代之。劉如謙也預期,傳統CRISPR、鹼基編輯和優質編輯各有優劣,未來三者會共存:「若CRISPR像剪刀,鹼基編輯像鉛筆,那麼,優質編輯就像文字處理軟件,可準確搜尋和取代,各自有它們的角色。」

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上文節錄自第187期《香港01》周報(2019年11月4日)《更準確VS更危險 新版基因編輯問世 人類面對道德抉擇》。

更多周報文章︰【01周報專頁】

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