2018年6月30日

基因編輯在表觀遺傳修飾中的應用

許惇偉/牛津大學生物化學博士,專長為表觀遺傳學、分子生物化學。曾任職牛津大學,目前任教於國立高雄師範大學生物科技系。


在不改變基因序列的前提下,透過生化機制來改變基因、控制基因的表達與否,是表觀遺傳學;透過酵素將基因進行剪接、改變基因的序列,是基因編輯技術。而當南轅北轍的兩方法相遇時,還能為生物技術帶來什麼樣的突破與發展?



一個生物個體如何順利展現出生命現象,必須靠體內各個器官的分工合作,而器官是由組織構成,組織由細胞組成。因此,每種不同的細胞如何適地、適時、適當的表現其該有的生理角色,靠的就是細胞核裡面遺傳物質DNA所帶有的所有的生命密碼。


表觀遺傳修飾
這DNA構成的生命密碼,如果把它想像成是一本寫滿各種生命資訊的書,雖然每個細胞都拿同樣的一本書,但不同的細胞在不同的時間,只會需要使用到其中的某些章節或某段落的話,那不同細胞裡面的這本密碼書,就會畫滿了各式重點標記,而這些不同細胞並不需要使用到整本密碼書,只要能解讀出跟其有關的部分即可。因此,需要用到的重點基因段落,該如何被標示清楚跟適當使用,很是重要;至於其它暫時用不到的基因密碼資訊,也得確實標示跟收納,而這些標示跟收納的機制,依靠的就是表觀遺傳的修飾作用。

每個不同細胞內,基因們適時適量的開開關關,會左右著生物個體的命運。假如說,某個基因跟控制細胞的分裂有關,那當它過早或是過量表現時,就可能會讓細胞不聽使喚,最糟的狀況就是變成癌細胞。以圖一所示,一個基因A被「封存」時,也就是不轉錄時,其部分DNA序列可能會被加上甲基官能基,透過一系列的生化反應去適時地「封存」該基因的表現;有時候「封存」的效果也會透過以在「收納」這類基因的各種核小體(nucleosome)中的組蛋白上,添加不同的化學官能基(functional group)去達成。這一類封存基因表現的方式,就被稱為「表觀遺傳修飾(epigenetic modification)」,其好處就在於既然它們是透過化學標記去封存,一但化學標記被移除,就很容易解開封存,達到適時、適量、適地有效開關基因的方式。

同理可推,假如有某個像是抑癌基因這般重要的基因,在不該被封存的時候,被以表觀遺傳修飾的方式封存,使該表現的時候無法順利表現,一樣也會造成生物個體的問題。其實,不只是令人聞之色變的癌症,生物個體舉凡代謝、生長、分化、發育、生殖等許多功能,端賴不同基因有系統的開開關關,表觀遺傳修飾無法準確地進行,會是很大的問題。
所以,如果我們明知某種癌症的主要成因是某種基因被表觀遺傳修飾不適當的封存,那有可能解開嗎?過去幾十年表觀遺傳領域的發展,的確讓我們明白某些重要的基因,是如何透過表觀遺傳修飾控制其表現。但,了解是一回事,如果明知某些修飾是重要的,要如何調整這些修飾,達到撥亂反正的效果,就令科學家費盡心思。不過,近年來也有不少表關遺傳修飾相關的研究出現,這其中以利用化學藥劑來影響表觀遺傳修飾的努力最有成果。

圖一:表觀遺傳修飾的過程。(科學月刊繪製)
基因編輯技術

過去幾十年,已經有數種可影響表觀遺傳相關的藥劑上市,這類藥劑專一的抑制某些表觀遺傳修飾酵素的活性,間接的減少某些不必要的修飾,讓被表觀遺傳機制封印的某些基因活化,達到治療的效果。可惜的是,許多這一類的表觀遺傳修飾酵素同時會作用在不同的基因上,如果因為透過影響這些酵素而去活化某些被不適當封存的基因,那很有可能一些本該被好好封存的基因也會被活化,這將造成無法預期的副作用,是藥物使用上很大的問題。因此,科學家試問有沒有某種方法,能夠專一性的去移除某個基因上不必要的表觀遺傳修飾?才不過幾年時間,目前,科學家已能夠做到這一點,利用改良過的基因編輯技術。

基因編輯技術是近十年來影響層面最大的生物技術,這個石破天驚的技術,是人們在了解許多細菌,具有發展出準確攻擊入侵者DNA的後天免疫系統後,將其改良應用的技術,其中又以被稱為「CRISPR-Cas9」的基因編輯系統最被廣泛使用。

簡單來說,要能修改細胞裡面某基因的特殊密碼,得具備「準確」、「效率」與「經濟」三大要素。「準確」,就是能在龐大的基因體裡面,精準的找到所要修改的基因;「效率」,講究修改的成功率要在容易操作的範圍;「經濟」,當然是考量所需要的時間與金錢,都要在合理的範圍內。一般傳統的方法很難兼顧到這三點,但是CRISPR-Cas9系統卻能輕易地達成這三個要求。

圖二:基因編輯技術。(科學月刊繪製)

在這個系統裡(圖二),Cas9是個酵素,它能結合某個經過設計的特殊RNA片段,再利用這個片段上20個設計出來的特殊核糖核酸序列,尋找並結合完全對應的DNA序列,接著Cas9發揮酵素的功能,剪斷對應位置下游特定位置的雙股DNA,一旦雙股DNA斷裂,就可以透過另一套精密設計的系統去刪除、增加或是修改這斷裂處的DNA序列,達到編輯該基因的目的。這個基因編輯系統的成功,很快引領生命科學領域的風潮,一時之間,修改特定DNA序列不再是遙不可及或勞師動眾的事。......【更多內容請閱讀科學月刊第583期】

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