一把有設計功能的瑞士刀
2014 年春天，我兒子安德魯正在念六年級，他的科學老師請我到他們班上向學生解釋 CRISPR。我對這份邀約深感榮幸，但是也相當緊張：
我要怎樣將基因編輯說給一群對 DNA 僅有基本認識的孩子聽呢？
我決定帶上 Cas9蛋白和嚮導 RNA 的 3D 列印模型，模型中的嚮導 RNA 還附在一段 DNA 上。這個模型現在成了我辦公室的中心擺飾，其中亮橙色 RNA 和寶藍色 DNA 互相纏繞，與足球大小的雪白蛋白質結合在一起，這些組件都靠著磁鐵固定。我認為對孩子們來說，再加上其他分子結構細節可能太過繁瑣。我想只要把這顆足球大小的模型傳下去，讓他們就近觀察就足夠了。
顯然我低估了這些學生的好奇心，幾乎在我把模型遞給他們的同時，他們就推想出 Cas9 是如何切割 DNA，以及如何將 DNA 從 CRISPR 組合中抽出來或裝回去。我真是白擔心一場，要傳達這個複雜概念，其實沒那麼複雜！
圖／pxhere
當我向全班同學解釋，就 CRISPR 的核心功能來看，可以把它想成是一把兼具設計功能的分子剪刀，具有一段二十個字母的特定 DNA 序列，以及能夠切割雙螺旋兩股的能力。然而，科學家使用這種技術來進行基因編輯的結果，可是非常多樣的。基於這個原因，也許將 CRISPR 描述成一把瑞士刀會比剪刀更為貼切，這是具有多種功能的工具，而且全來自單一部分子機器的作用。
CRISPR 最簡單也最廣泛的一項應用，是切割一段特定基因，然後讓細胞以重新把DNA鏈連接的方式來修復損傷。這種寬鬆過程很容易出錯，會留下明顯的痕跡，在 CRISPR 切割位點的附近會發生一小段的 DNA 插入或缺失（indel）。儘管科學家無法確切控制這種 CRISPR 應用中的 DNA 修復方式，但是他們明白這類基因編輯相當有用。
製造基因剔除小鼠
這就是 CRISPR 的最基本能力，可以破壞基因產生功能性蛋白質的能力。若是經過 CRISPR 編輯的基因最後發生小幅度插入或缺失，那麼從該基因產生的相應 mRNA 也會被擾亂。
而大多數時候，這些額外添加或缺失的字母，會破壞遺傳密碼嚴謹的三字母分組型態，所以蛋白質將發生嚴重突變，甚至大多數的情況下，蛋白質根本不會生成。總之，蛋白質不能發揮正常的作用。遺傳學家稱此為「基因剔除」（gene knockout），或簡稱 KO，就像拳擊運動的用語一樣，因為這時等於是關閉了基因的功能。
「基因剔除」（gene knockout），簡稱 KO。圖／pxhere
當動物遺傳學家開始使用 CRISPR 時，他們想要創造出能夠明顯觀察到的基因剔除。多數人選中的目標，是一個稱為TYR的基因。TYR 基因約莫五億多年前出現於生物體中，廣泛分布在動植物和真菌內，會製造一種稱為酪胺酸酶（tyrosinase）的蛋白質，與黑色素的合成有關，黑色素是一種很重要的色素。
人類的 TYR 突變會導致酪胺酸酶缺陷，造成第一型白化症，這是一種遺傳病症，症狀有視力缺陷、缺乏色素沉著而導致皮膚白化、紅眼。若是以 CRISPR來編輯小鼠的 TYR 基因，是否會導致小鼠罹患白化症？
利用CRISPR進行基因剔除。圖／出版社提供
2014 年，德州大學的研究團隊將 CRISPR 設計成鎖定 TYR 基因中一段二十個 DNA 字母的序列，然後注射到受精卵中。結果，生出來的下一代相當驚人，儘管所有幼鼠都來自長有正常黑毛的父母，但許多幼鼠是全身白毛和帶有紅眼。這樣的結果只能以 TYR 基因上發生 DNA 突變，導致錯誤解碼來解釋。小鼠的皮膚、毛髮和眼睛的顏色出現改變，是用來觀察修改基因結果再好不過的指標，一目了然。
雖然研究人員可以透過 DNA 定序資料，來確認基因編輯否成功，但選擇 TYR 基因的好處，能夠輕易目測實驗結果。只要計算有多少隻小鼠是黑色的（沒有發生基因編輯的），有多少隻是白色的（發生基因編輯的），就能非常精確知道 CRISPR 的成效。這也可以長期追蹤各個實驗室不斷改進 CRISPR 的設計和準備流程的成效變化。
德州大學的這項研究中，只有 11%的小鼠後代完全白化，而且鼠窩的照片顯示出一群黑白花色相間的幼鼠，黑色幼鼠比白色幼鼠多一點。僅僅在一年後，日本的一個研究團隊重複同樣的實驗，成功率達到 97%，四十隻小鼠中，有三十九隻展現出均一潔白的白化外觀。短短幾個星期的時間裡，這個團隊永久而精確的改變了一整代動物（以及牠們未來的後代）的遺傳組成，以自然界從未發生過的方式。
利用CRISPR進行同源重組
研究人員可以利用 CRISPR 來提升諸多基因編輯策略的成效，基因剔除只是其中一項而已。遺傳工程師通常需要更好的方式，因為隨機插入或刪除 DNA 毫無選擇性可言，只是在基因內任意造成突變。
畢竟，至少就醫學應用而言，基因編輯的主要目標是治療遺傳疾病，遺傳疾病絕大多數是由於患者遺傳到讓關鍵基因失去活性的突變。在這些例子中，基因剔除毫無用處，因為患者本來就是基因無法發揮正常功能而生病。科學家需要的是一種能夠鎖定目標、編輯和修正單個 DNA 字母錯誤的方法。
利用CRISPR進行同源重組。圖／出版社提供。
幸運的是，細胞還擁有第二種修復機制，這種修復方式比僅僅將破碎的 DNA 重新黏合在一起更為精確，掌控度也較高。這種模式不會隨意連接任兩條毫不相關的 DNA 片段，而是專門連接序列相似的片段（早期的基因編輯研究人員就是這一特點）。這種挑剔特性剛好可用來解釋描述這過程的兩個同義詞：同源重組和同源修復（homology-directed repair）。
同源重組好比是攝影師以三張有部分重疊的照片，拼成一張全景照片的過程。為了要正確對齊，必須把中間照片的兩側區域，和兩邊照片的左側與右側區域正確疊好。若是全景照片的中間部分遭到切除或損壞，攝影師可以加洗一張中間照片，再依照相同的對應原則來重建全景。若是現實生活中的景觀發生變化，比方說，蓋了一座新的塔樓，或是有棵大樹倒了，攝影師也可以用相同的原則插入新照片，不斷更新這張全景圖。
同源重組就像是攝影師以有部分重疊的照片，拼成一張全景照片的過程圖／wikipedia
事實證明，細胞中的酵素就是在進行類似的剪貼操作，只是這裡的全景圖是 DNA。之前談過的那種容易出錯的修復方式是發生在染色體斷開來的情況，這時細胞會隨便把末端連接起來，就像是攝影師在拼湊少了一小塊的全景圖那樣。但是當細胞面對的是一條斷掉的染色體，以及一段與染色體斷開後兩處末端相對應的 DNA，這時細胞會選擇比較好的修復方式，這段 DNA 相當於是修復用的模版，就好比是攝影師加洗的那張照片，細胞會讓兩末端序列完美重疊，將這段 DNA 黏貼到染色體的斷裂處。
這意味著研究人員可以使用 CRISPR 鎖定基因上發生有害突變的位置或附近區段，然後用一段新的健康 DNA 序列來取代，一勞永逸解決問題。只要研究人員利用 CRISPR，加上與斷裂基因區相對應的修復模版，細胞會很樂意抓住替換備品，用來修補損害。
刪除或翻轉一段DNA
研究人員除了用容易出錯的（非同源）或精確的（同源）修復方式來微調基因，也使用 CRISPR 來截掉一大段 DNA（缺失），或把一段 DNA 倒轉過來（倒位），讓他們能夠改變基因體中的一大塊區域。這種方法利用的是細胞的另一項特性，即細胞總是竭盡所能來維持染色體的完整性。將 Cas9 與兩種不同的嚮導RNA混合，研究人員可以設計 CRISPR 來切割一個染色體上兩個相鄰的基因；而細胞會用三種方式的其中之一，重新組裝染色體，繼續存活下去。
利用CRISPR來刪除基因（缺失）或讓基因倒轉（倒位）。圖／出版社提供
細胞這時要處理的斷裂DNA末端變成兩倍，第一個選項是全速進行末端連接修復，處理受損的末端，同時把所有斷裂處都黏合回去。然而，由於細胞中的分子會不斷任意運動，因此採行這種修復模式的機率非常低。要是兩個切點之間的 DNA 片段漂走了，細胞便會採用第二種選項，乾脆不理會遭切除的片段，直接把最兩頭的末端黏合起來。這種修復模式就跟昔日電影剪輯師從電影膠卷中刪除畫面的方式類似，他們直接在膠卷上剪兩刀（畫面的開頭和結束），扔掉不要的片段，再將新的兩端黏合起來。
第三種修復選項牽涉到把中間的 DNA 片段倒轉過來。在這種情況下，切割出來的 DNA 片段仍擠在附近，大致維持在原處，只是翻轉過來，原本的頭尾位置對調。促進末端連接修復的同一種酵素，只顧著把失落的片段重新接回去，不管那段 DNA 的方向到底對不對。
變成基因表現控制器
CRISPR 還有另一種應用方式，與基因編輯無關。這時，科學家利用的不是 CRISPR 切割 DNA 的能力，而是刻意破壞這項工具的性能。他們故意讓這把分子剪刀無法作用，把它變成遠端管理基因體的工具，CRISPR 不再去編輯 DNA、造成永久性的變動，而是改變DNA的解讀、轉譯和表現方式來達成目的。正如傀儡師以看不見的線來控制傀儡的動作和姿態，這種非切割型的 CRISPR 讓科學家能夠操縱細胞的行為及其產出。
正如傀儡師以看不見的線來控制傀儡的動作和姿態，非切割型的 CRISPR 讓科學家能夠操縱細胞的行為及其產出。圖／Min Thein@pexels
對於這種操縱功能的基礎認識，實際上，早在我的實驗室進行 CRISPR-Cas9 的研究時便開始了。蛋白質通常是由數百至數千個胺基酸建構而成，其中絕大多數胺基酸僅是構成蛋白質的三維形狀，只有少數胺基酸才是讓酵素具有催化功能的關鍵化學基。
伊內克首次確認 Cas9 的生化功能時，明確展現出這個酵素中的哪些胺基酸能夠發揮化學作用，切割 DNA 雙螺旋的兩股。他以遺傳工程改變這些胺基酸後，創造出一種完全喪失切割 DNA 能力的 Cas9，但仍然可以與嚮導 RNA 交互作用，與相對應的 DNA 緊密結合。儘管催化的核心遭到破壞，去活化的Cas9 仍然保留部分功能，可以在基因體中搜尋特定 DNA 序列並定位，只是不再能切割 DNA。
離我們實驗室不遠，從柏克萊畢業的齊磊（Stanley Qi）博士，正在加州大學舊金山分校籌備自己的實驗室。他與同在舊金山分校的魏斯曼（Jonathan Weissman）和林行健（Wendell Lim）兩位教授合作，證明去活化的 CRISPR 可用於操縱基因體。這種去活化的 CRISPR，再也不能編輯 DNA，無法引入永久的遺傳變化，卻能讓科學家做出暫時的改變，這不會改變細胞的遺傳訊息，只是影響遺傳訊息的表現方式。最特別的是，他將 CRISPR 變成一種基因表現控制器，可以打開、關閉基因，或是增強、減弱基因的表現，就像能夠調節照明強度的調光器一樣。
調控基因表現，也就是控制以 DNA 形式儲存的遺傳訊息轉化為蛋白質的時機和時間長短，這樣一套複雜而交錯的輸入機制，無疑是生物學中一大重要主題，可說是與遺傳訊息本身一樣重要。人體中的細胞將近有五十兆個，都含有相同的基因體，但這些細胞的類型繁複，各自具有獨特的形狀和大小，組成具有不同性質和功能的複雜器官。
能夠活化或干擾基因表現，幾乎與能夠編輯基因本身一樣威力強大。我們可以把人類細胞想成是全世界最大的一支交響樂團，由兩萬多種不同的樂器所組成。在正常運作的健康細胞中，交響樂團的各種聲音會完美平衡；在惡性腫瘤細胞或是遭受感染的細胞中，這種平衡受到干擾，有些樂器太大聲，而另一些樂器則太小聲。有時候，DNA編輯的力道過重，就像是某些樂器完全移除或更換，這樣並不能使交響樂團恢復到正常狀態。去活性的 CRISPR 系統提供一種微調樂團中任何樂器（即基因體中任何基因）的方式，而且還具有更高的靈敏度。
本文摘自《基因編輯大革命：CRISPR如何改寫基因密碼、掌控演化、影響生命的未來》，遠見天下文化出版股份有限公司，2018 年 5 月出版。
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