基因编辑技术新突破,点解咁巴闭?

2020-06-27 浏览(4312) 评论(45) 当前位置:主页 > 天文人像 >基因编辑技术新突破,点解咁巴闭?

近日《自然》刊物刊出了一篇文章,指由美国和南韩组成的研究团队,首次成功在人类胚胎修复突变基因,有助预防一种遗传性心脏病,此病多数无明显病徵,很多时年轻田径运动员因为此病而猝死。究竟这个新突破点解咁巴闭?今次小弟试从科学的角度为大家解释一下。

这套基因编辑技术简称为 CRISPR-Cas9,主要是由 RNA 和蛋白酶组成的複合物,RNA 的作用就好像「导航员」,带领蛋白酶到指定的位置,移除和修改指定的DNA,好像电脑的 cut and paste。所以,研究员透过设计「导航员」(RNA排列),就可以指定修改某个病变基因。

CRISPR-Cas9 也不是新技术,已出现了数年,大家亦可能已听闻过相关新闻。以往 CRISPR-Cas9 多数用在培植细胞或动物肧胎上,首次使用在人体是2016年,中国研究团队尝试把经过 CRISPR-Cas9 处理的细胞,放进癌症病人体内医治癌症。而使用 CRISPR-Cas9 在人类胚胎的研究刊物,近年也只有三份。

若要预防遗传性疾病,理应在胚胎初始阶段进行基因修复最好,因为卵子受精后,细胞不断分裂和增加,由于病变基因每个细胞也有,要修复的细胞数目便愈来愈多,令修复过程变得困难。但若果由胚胎的第一步开始,当你还是单细胞,第一次细胞分裂前能够进行修复的话,往后複製出来的每一个细胞,也会是正常、已修复的版本了。

实际进行时,有两个常遇见的技术难题。第一,虽然 CRISPR-Cas9 有一定準确度,但仍然有机会出现错误,比如修改了指定位置以外的 DNA (off-target),继而导至致命或致病的突变。第二个难题是镶嵌情况(mosaicism),即是只有部分细胞成功被修复,其余仍然是原本带有病变基因的细胞(图:Nature 2017)。

基因编辑技术新突破,点解咁巴闭?

问题虽难,聪明的研究团队仍找到解决方法。之前使用 CRISPR-Cas9 的方法,是把 CRISPR-Cas9 的 DNA 放入细胞,DNA 就好像「指示」,细胞好像「工厂」,工厂按指示製造 CRISPR-Cas9 複合物,複合物再去作基因修复工作。问题来了,这样虽然可以成功生产複合物,但控制不到过程,控制不到数量,若有太多 CRISPR-Cas9 複合物,off target 的情况会更严重,导致更多基因突变 (mutation),弄巧反拙。其实在受精卵第一次分裂前,需要修复的突变基因只有一组,用不着大量的 CRISPR-Cas9 複合物。今次研究的不同之处,是不放DNA,反而是事前準备好 CRISPR-Cas9 複合物,然后连同精子直接打进卵子内,故此受精的那一刻,CRISPR-Cas9 複合物已经存在,可以立即进行修复工作,同时间複合物本质上不稳定,会慢慢自然消失,不用担心生产或积聚过多 CRISPR-Cas9 複合物在细胞,导致不必要的基因突变。

至于镶嵌情况的处理,由于精子和 CRISPR-Cas9 複合物是同一时间被放入卵子,很大机会在细胞受精、进行第一次分裂前,CRISPR-Cas9 複合物已替指定基因进行修复。研究团队发现,42个成功的实验胚胎当中,只有1个出现镶嵌情况,这是十分高的成功率。相比之下,若受精18小时后才注入 CRISPR-Cas9 複合物,54个实验胚胎当中,有13个出现镶嵌情况,成功率相差甚远。

技术新突破虽然令人雀跃,也引来一场道德争议,有人担心从此会出现「设计人类」,大家按喜好为下一代设计想要的能力或样貌之类,比如变得聪明、眼睛颜色等等。但其实这新技术仍然跟「设计人类」有一段距离,因为实验中研究员有提供修复用的 DNA template,当病变基因被移除后,细胞可以选择用研究员提供的 DNA template 或妈妈的 DNA 作为修复时的蓝本。若细胞选择研究员提供的 DNA template,便意味着我们有更大的撑控,可以随意加插人工设计的基因,然而,细胞选择了使用妈妈的DNA作修复蓝本,即是说,细胞倾向使用原有的基因,人类还未可以随意操控生命啊。

References:

Cyranoski, D. 2016. CRISPR gene-editing tested in a person for the first time. Retrieved from

Winblad, N. & Lanner F. 2017. Nature. Biotechnology: At the heart of gene edits in human embryos. Retrieved from

Ledford, H. 2017. Nature. CRISPR fixes disease gene in viable human embryos. Retrieved from