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2024-08-01改寫生命密碼的剪刀手 CRISPR基因編輯技術
656 期
Author 作者
寒波／科普作家，經營部落格與粉絲頁「盲眼的尼安德塔石器匠」。
基因編輯DNACRISPR/CAS9農作物育種稻米馬鈴薯基因改造
生物用DNA承載遺傳訊息，基因改造（genetically modified）也就是人為修改DNA序列。而榮獲2020年諾貝爾化學奬的CRISPR/Cas9基因編輯技術，就是目前最方便與精確的基因改造方式。
要達到修改基因的目的，首先要辨識目標，再由專門的酵素針對DNA序列下手。理想狀況是能精確地修改目標，又不會影響其他位置。說來簡單，其實很不容易。因為以往被人類利用、能辨識特定序列的酵素無法精準的座落在目標序列，差一個，甚至兩個序列位置，都照樣會下手。然而，CRISPR卻能精準辨識特定的DNA序列，也改變我們對基因改造的想像。
（Adobe Stock）
CRISPR/Cas9基因編輯技術的原理
CRISPR原本是指細菌的適應性免疫系統（adaptive immunity）。當細菌被病毒感染後，假如沒有被病毒殺死，就會記錄下此病毒的遺傳訊息，如果下次再碰到相同病毒時，適應後的細菌就能調出資料辨識，並派出酵素將它摧毀。整套過程牽涉多個蛋白質，其中能辨識又摧毀目標的酵素叫作Cas9，給它序列便能找到目標。於是有科學家想到，如果單獨利用Cas9，給它想要修改的序列，不就能準確找到目標嗎？
基因編輯正是由上述想法衍伸的成果：根據想修改的特定基因序列，設計約20個核苷酸（nucleotide）的一段引RNA（gRNA），再和Cas9或具有類似功能的酵素一起打包、注射到細胞核內。
常見作法又可分為兩種。一種比較簡單，只想破壞目標基因，不管序列被如何改變，只要不是原狀都行，那麼辨識並摧毀目標即可。另一種比較複雜，需要去除原有的序列，取代換成新的DNA片段。此方法要設定兩個目標，而且同時送入想被取代的序列，當序列兩端都被切斷，細胞的修理系統急著將斷裂的DNA修復時，便能用準備好的新片段補上。然而，即使目前基因編輯技術已經相當精確，仍然有機會改變目標以外的DNA序列，導致未知效應的風險。所幸隨著技術的進步，目前已有辦法盡量縮小影響，甚至只改變單一核苷酸。
圖一
CRISPR/Cas9基因編輯技術有兩種常見作法，一種是直接破壞一處目標基因的序列。另一種是切斷兩處DNA序列，趁亂將想要表達的DNA片段塞入。（資料來源：作者提供）
CRISPR/Cas9基因編輯技術的應用
在農業領域，如果我們掌握農作物的整個基因組序列，又知道改變哪些基因有什麼影響，我們便可以透過基因編輯快速地達到植物育種的目的。例如馬鈴薯的褐變問題（氧化反應變成褐色），就有一項研究發現破壞馬鈴薯的Polyphenol Oxidase 2基因後，能順利降低73%的褐變機率。
另外也有一項針對稻米自生苗問題的研究。稻米收割後，遺落的稻穀假如發芽生長，稱為「自生苗」，在下一波稻米種植中如同雜草。我們可以利用除草劑消滅自生苗，但是稻米也會產生抗藥性。此研究修改HIS1抗藥基因的單一核苷酸，使HIS1基因失去功能，成功便能強化抑制稻米自生苗的效果。除了重要的糧食作物外，基改變DNA的操作安全嗎？其實不同用法有不同標準，改造農作物有相標準，人類的基因治療也有它的標準，不能直接相提並論。CRISPR/Cas9基因改造之所以被稱為「基因編輯」正是因為它精準的特質已經是很安全的方式。如今基因組定序相當方便，可以很快檢查它是否影響目標外的位置。目前CRISPR/Cas9基因編輯技術也應用於在醫學領域，可見此技術的安全性已受最嚴謹的人體治療肯定。不過任何操作都有失誤的風險，再怎麼安全的方法，每一次應用時仍需要層層把關，從頭避免後續可能的問題。
圖二
利用CRISPR/Cas9破壞相關基因示意圖。圖中為破壞馬鈴薯的氧化酵素基因，讓馬鈴薯不會褐變以及破壞稻米的抗除草劑基因，讓自生苗容易被除草劑消滅。（資料來源：作者提供）
參考文獻
Saini, H. et al. (2023). CRISPR/Cas9-gene editing approaches in plant breeding. GM Crops & Food, 14(1), 1–17.
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