神之一手!基因剪刀神助攻mRNA疫苗

全球受COVID-19疫情影響,截至目前為止(2021年7月10日)已感染了1.85億的人口,以及高達400萬人的死亡,就在這短短的一年半之內,改變了全球過去的日常,任何還沒有打上一劑疫苗的人,都面臨著無比的心理壓力,因為你不知道是否會碰上無症狀感染者,或電梯按鈕是否也會傳播病毒。

疫苗即時的出現真的拯救了全世界不少人的生命及生活,尤其是在病毒基因體定序出來後不久,竟然有辨法在幾個月之內生出有效且副作用不大的疫苗,著實令人感動。其中最受矚目的是以mRNA(messenger RNA)研發為主的BioNTech(BNT)及Moderna,因為mRNA疫苗過去還沒有任何使用在人類身上的記錄,有效沒效、副作用如何其實都不知道,過去一隻疫苗可能需要十年時間觀察其在人體身上的變化,但如果這次還要十年的話,人類大概就滅絕光了吧,所以mRNA疫苗的問世絕對可以稱得上全球疫情的救援投手!

mRNA疫苗據CDC(衛福部)的解釋:「mRNA疫苗作用機轉是教導人體細胞自行產出SARS-CoV-2病毒蛋白質片段(疫苗抗原),進而誘發體內產生免疫反應。疫苗中的mRNA永遠不會進入細胞核(人體DNA存在的地方)。」它是用基因工程方式將病毒的表面棘蛋白(spike protein)遺傳信息mRNA經過修飾後再注入人體,人體的免疫系統會開始針對這些蛋白產生相對應的抗體。

分子生物學之中心法則,資料來源:Miyuki Baba et al.

快速研發出全球第一隻mRNA疫苗的BNT,其共同創始人Ugur Sahin博士在2021年1月接受Time時代雜誌的專訪時提及過去的疫苗發展,其實不外乎用減量或滅活病毒來製作疫苗,讓人體產生抗體,但這樣的方式其實不夠精準,也可能帶來患病的風險,或很難產生抗體。而面對COVID-19這樣快速規模化並且致死率高的病毒,傳統疫苗的耗時費力研發流程,將被全新的東西所取代:基因疫苗(Genetic Vaccines),它是將基因密碼的片段傳遞到人體細胞中,然後,遺傳指令使細胞自行產生目標病毒的安全成分,以刺激患者的免疫系統。

在COVID-19在全球擴散之時,BNT啟動了一個基於mRNA疫苗的項目,驚人的是,Sahin博士在幾天內就編寫出了疫苗,一個人工編寫的mRNA,可以把病毒碼帶進人體細胞中產生蛋白質的地方,讓人體本身產生病毒刺蛋白的無毒版本作為抗原,用以刺激或訓練人體自身的免疫系統去產生抗體。換句話說,只要知道病毒基因序列是什麼,就可以用自己的身體來製作解藥,多麼神奇的事!就在差不多的時間軸上,另一間公司Moderna也很快的開發出了mRNA疫苗,更棒的是這家公司已研究RNA十多年,所以它在封裝mRNA的Lipid Nanoparticles可以更穩定,所以不用像BNT要非常低溫才能運送及保存。

2020年11月,BNT及Moderna兩間公司疫苗的有效性被證實超過90%,在經過美國FDA的緊急授權之下,開始將這新一代的疫苗實際使用在人體身上,這將是人類首次開始使用「基因疫苗」來拯救自己的新篇章,而能讓這兩間公司在那麼短時間內就推出疫苗的關鍵技術,則不能不提到一種能對精準的對基因作迅速搜索、切割、置換的基因編輯技術 – CRISPR/Cas9!

基因剪刀手 CRISPR/Cas9

基因編輯技術其實從1970年代就開始萌芽,之前較常見的方式是透過病毒載體,把修復好的基因送進人體細胞。1982年,猶他大學的卡沛奇(Mario Capecchi)教授則提出是否可以利用細胞在「同源重組」過程中交換遺傳資訊,來開發相關酵素去鎖定特定染色體位置上的基因,並把新的基因貼到基因體正確的位置,而通常發生重組的位置,又來自於「雙股DNA斷裂」之處。那如何讓要被修改的目標基因發生DNA斷裂呢?1994年,紐約市史隆凱特林紀念癌中心的潔森(Maria Jasin)使用I-Scel核酸內切酶(連續18個NDA字母完全配對)去進行人工的DNA斷裂,成功地透導部份細胞以同源重組的方式準確修復一個突變基因。可是,這樣的方式應用層面有限,許多疾病的基因序列不一定能修改成和核酸內切酶配對的樣貌,也就是它無法容易的編程(programmable)。

而創新往往來自於跨領域的結合,專注於RNA研究的加州大學伯克利分校的生物化學家Jennifer A. Doudna教授,在2011年某一場研討會中與法國微生物學專家Emmanuelle Charpentier交流古微生物中的CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,意為一種群聚且有規律間隔的短回文重複序列),其有可能是細菌的後天免疫系統,並有可以自我更新或甚編輯基因的能力,也許有機會發展成新一代的基因編輯工具。2013年,更進一步將CRISPR RNA和tracrRNA接合起來,變成一條合成的單股RNA,大幅簡化了製作CRISPR/Cas9的過程,並在「Science」期刊發表,不僅奠定 CRISPR/Cas9成為基因編輯的重要里程碑,更點燃 CRISPR 基因編輯研究/應用領域群雄並起的烽火。2015年Doudna教授在TED上分享CRISPR是什麼?又如何用它來程序化編輯我們的DNA:

Doudan教授說:「基因編輯系統中CRISPR RNA是一段約20個核苷酸長度的RNA序列,透過序列互補來辨認目標 DNA 的位置,讓Cas9蛋白進行雙股DNA斷裂,進而透過細胞本身的自然DNA修復機制或是給予人工的DNA片段作為模板,對於目標 DNA序列進行修補或是編輯。」

Doudan及其實驗室同仁將此機制提取並轉變成基因編輯工具,只要透過一個合成後的嚮導RNA(整合CRISPR RNA和tracrRNA)及切割酵素酶蛋白Cas9,就可以精準搜索到任何想要置換的DNA序列,並且用編輯後的基因取代之!

「基因編輯大革命」一書提及:如何讓CRISPR在人類細胞中產生作用。

2020年10月7日,Doudna教授和Charpentier博士就以CRISPR/Cas9獲得諾貝爾化學獎的殊榮,解決了過去二三十年來基因工程的困難。Sahin博士稱Doudan及Charpentier是發現RNA結構的先驅,讓全球基因研究得以用更快速、便宜且精準的方式,改變基因治療的可能性,並將大幅度改變現有異種器官移植、癌症與遺傳性疾病療法的研究,且已有許多相關臨床試驗正在研究技術應用的可能性,以降低風險提升成功率。

你無法想像一個拯救全球70億人口的創新性技術,其原理就來自於單細胞生物 – 細菌的後天後疫系統!幾億年來細菌如何抵抗病毒的入侵,已經自動演化成一套學習與防禦的機制,將病毒一部份的DNA密碼切割後成為自己基因的一部份,加入「敵人」觀察清單,未來只要碰到相同的DNA密碼,就可以發動攻擊、使之失效。

我認為最大的創新在於,Doudna以第一性原理,在強大的好奇心驅使之下,深入探究物事的本質(基因如何轉錄成RNA來告訴細胞要組裝什麼蛋白質),觀察變化的過程及拆解各種元素(了解細菌使用RNA片段引導酶摧毀病毒的方式),透過適度的調整與改變(整合CRISPR RNA和tracrRNA),讓它可以更規模化的應用到其他領域,所有人都可以用一個如此簡潔的原理及工具,去設計更多有想像力的基因實驗。

基因編輯一直是一個相當具有爭議性的遺傳工程技術,人類到底是否適合扮演那隻神的手,重新創造或改變任何現有的生命體,包括動物、植物及人類本身。當基因編輯技術已不是高不可攀的技術,人類該如何有限度的使用它?甚至能否植入生植系統,DIY自己的下一代生命,這也是Doudan在TED演講中一直不斷在提醒的事,應該要有更廣泛的討論及負責任的態度,才能回應這個問題。

「從0到1」的作者Peter Thiel說:「有什麼是你跟其他人有不同看法,但是你覺得很重要的事實?」只有秉持這樣的思維,才有可能改變世界。CRISPR/Cas9讓基因工程和生物操控邁向了一個新的時代,mRNA疫苗在幾個月內就誕生出來,就說明了這世界已經改變,而且回不去了。它改變了人類抵抗病毒的反應速度,未來有任何的病毒、疾病、遺傳突變,都可能因此技術而在短時間解決,突破自然界物競天擇的限制,延長人類的壽命或甚外觀、心智能力。這可能是一個人類尚未準備好面對、卻已經在發生的路上之議題。

參考資料:

基因編輯大革命/天下文化出版/作者:珍妮佛・道納、山繆爾・史騰伯格/出版日期:2018年5月31日

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