「DNA編輯大師」張鋒與CRISPR/Cas9基因編輯技術（上）

「DNA編輯大師」張鋒與CRISPR/Cas9基因編輯技術（上）
國立臺灣大學醫學院生理所林世青專任研究助理

麻省理工學院的張鋒（Zhang Feng）教授憑藉其發展的CRISPR（Clustered, Regularly Interspaced, Short Palindromic Repeats）/Cas9（CRISPR-Associated Protein 9）系統，年僅32歲即榮獲2013年《自然》雜誌評選之年度新聞人物首位，並獲得「DNA編輯大師」之稱號（“365 days: Nature’s 10,” 2013）。

究竟這令人折服的基因編輯技術的發展過程為何呢？西元1987年時，科學家在細菌內發現一種特殊核酸內切酶，命名為CRISPR/Cas9，其會辨認外來的DNA並加以切割降解，被認為是細菌用以抵抗病毒感染的防禦機制（Ishino, Shinagawa, Makino, Amemura, & Nakata, 1987; Bhaya, Davison, & Barrangou, 2011），若能在病毒感染的第一時間內就將其DNA降解，即可有效阻止病毒複製。

而到了2012年時，科學家解開了Cas9對於目標DNA的辨認機制，並成功藉由人工方式修改其專一性，讓整個技術有了飛躍性的突破。其發現Cas9會與其導引RNA（small-guiding RNA）結合後得到辨認目標序列的能力，從而結合並切割目標DNA，科學家只需要修改導引RNA的序列，即可改變Cas9的專一性，命令其轉而裁切另一不同序列的DNA（Jiang, Bikard, Cox, Zhang, & Marraffini, 2013; Jinek et al., 2012）。過去使用的基因剔除技術：鋅指核酸酶（zinc-finger nuclease, ZFN）或TALEN標靶基因剔除工具等，都必須經由繁複多步驟的基因工程，拼裝出能夠辨認目標序列的蛋白區位，才得以用來辨認並切割特定序列（Gaj, Gersbach, & Barbas, 2013）。相較之下，因合成特定序列DNA或RNA的技術較拼裝重組蛋白更為成熟且有效率，僅需數日便可得到特定序列產物，令CRISPR/Cas9的實行上較ZFN或TALEN更為方便快速。

張鋒教授的重大貢獻之處，即在於將本來不起眼的CRISPR/Cas9的細菌免疫系統改造成為一套簡單廉價的基因改造工具（Hsu, Lander, & Zhang, 2014），並發現這套系統可以被用於原核或真核細胞的基因編輯，使得我們可以很簡單地自行在實驗室編輯各類常見模式生物，包括酵母菌（DiCarlo et al., 2013）、線蟲、果蠅（Kondo & Ueda, 2013）、阿拉伯芥、斑馬魚、小鼠、大鼠、乃至人類細胞的基因（Sakuma, Nishikawa, Kume, Chayama, & Yamamoto, 2014）。

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CRISPER/Cas9 基因編輯流程：Cas9含有兩個內切酶作用位，當作用DNA與特定序列之導引RNA結合後，Cas9可同時切割該處雙股DNA，造成DNA斷裂並啟動細胞本身的修復機制，此時有一定機率會使用人工給予的外來模板修復該處，達到基因修飾目的，由此方法可建立基因修飾之各種模式生物，或往後應用於基因療法。（來源：作者自繪 ）