薯仔聞茱莉

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深入淺出CRISPR基因編輯技術

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最近留意到有好多人對CRISPR基因編輯技術感有些少興趣,所以想特別開一個Post以較為生動有趣的方式同大家講解一下,並以精簡撮要的方式講述重點。


為咗更易入口,我亦準備咗幾幅連豬連狗圖輔助講解,加入比喻等方式令大家更加明白,而唔係用一大堆科學名稱疲勞轟炸大家。


喺講解CRISPR之前,我哋首先要了解一下細胞內的基本運作。


我哋日常生活經常所聽到的DNA,實情係位於細胞入面的細胞核裡頭。排除癌細胞或特殊變異之外,我哋每一個細胞內的DNA係一模一樣的。

DNA蘊藏著無數之多的數據同資訊,就好似圖書館內的書櫃一樣,擺放咗各式各樣的書本收錄咗各方面不同的知識。


當細胞需要製作蛋白質的時候,譬如以骨膠原為例,細胞便會依照DNA入面某一段含有骨膠原的資訊開始製作。


有趣的是,DNA收藏喺細胞核入面,而製作蛋白質的工具則位於細胞核外的地方。


因著DNA無法從細胞核逃走出來的緣故,細胞依靠一種名叫Transcription的機制,將DNA裡的訊息複製成為一條可橫跨細胞核內外的媒體,messenger RNA(mRNA)。


mRNA的主要功用就係將DNA裡頭的訊息帶出細胞核外,令到細胞核外的蛋白質製作工具可以獲得正確的指示落手開工。

情形就好似DNA係參考圖書館裡的圖書一樣,不得外借,只許影印帶走,而mRNA就係其中一頁的影印版本。


而當mRNA走出細胞核後,就會來到名為核糖體(Ribosome)的位置裡頭,透過一系列名為Translation的過程製作出骨膠原蛋白質;

打個比喻黎講,影印頁(mRNA)放到書枱(Ribosome)後,我哋可以透過閱讀(Translation)獲取得到知識(骨膠原)。


概括而言,這個三步曲(DNA-->mRNA-->Protein)就係細胞製作蛋白質的扼要流程,學術界對這個流程稱之為中心法則(Central Dogma)。




CRISPR基因編輯技術,全寫為[u]C[/u]lustered [u]R[/u]egularly [u]I[/u]nterspaced [u]s[/u]hort [u]p[/u]alindromic[u] r[/u]epeats,喺一種科學家從細菌對抗病毒的免疫機制中參照出來的產物。


再度以骨膠原(Protein)為例子,當我哋唔想細胞產生骨膠原的話,根據中心法則(DNA-->mRNA-->Protein)我哋有兩種手段可以達到目的,消滅帶有骨膠原訊息的mRNA,又或者消滅記載著骨膠原訊息的DNA。


而CRISPR基因編輯技術的運行方式,就係針對住後者的方法,消滅記載著骨膠原訊息的DNA。


扼要抽取重點黎講的話,我哋需要兩部份的組件先可以成功運行得到CRISPR技術,如五大訴求一樣,缺一不可 。


依兩部份的組件分別為sgRNA以及Cas9蛋白酶,正如圖上可以見得到,sgRNA就係含有骨膠原訊息的組件,其功用就係引領Cas9蛋白酶到達含有骨膠原訊息的DNA位置。

而當Cas9蛋白酶到達目的地後,佢就會對DNA進行一刀切割,斬開兩截。




依一個就係CRISPR的基本運作流程,就係咁簡單。(因為我簡化哂所有複雜的步驟)



當DNA被切割成兩截後,細胞當然唔會好似黑警721咁助手旁觀足足39分鐘先會黎到現場,而係會幫手積極修補受損的地方。

現今得知細胞有兩種方式修復受損的DNA,分別為NHEJ和HDR機制。


NHEJ喺一種沒法預測的隨機修復方式,憑著某幾種蛋白質的協助下,細胞會將被切開兩截的DNA合在一起,但最終的結果有時會喺多咗資訊在DNA裡頭,亦有機會係少咗啲正確的資訊。

在大多數的情況下,DNA的資訊將會與原來的版本有所不同,並有機會導致到細胞無法製作出正常的蛋白質。


HDR機制同NHEJ機制非常唔同,佢係一種精準及能夠預測得到的修復方式,但前提係要有另一道排組相似的DNA俾到佢作參考先能夠運作;

細胞會將外來另一組相似的DNA當作成為藍本,一字不漏咁抄落去受損的位置裡頭。


實際應用方面,如果我哋知道位於骨膠原DNA第2047位置的資訊出現了問題,譬如正常人喺嗰個位的字母係C,而病人嗰個位係A,我哋就可以設計一組sgRNA引領Cas9蛋白酶切割附近的位置,然後再將一組第2047位置為C的DNA(Donor)送入去細胞裡頭,細胞就會有機會運用得到HDR機制將病人的DNA第2047位置扮寫成為C,成功進行編輯。


總括來說,CRISPR技術就係藉助sgRNA及Cas9兩者的幫助在特定位置的DNA進行切割,然後再利用人體自身的修復機制(NHEJ/HDR)進行基因編輯。


就咁睇落好似好方便咁,但喺真實應用方面,科學家現時正面臨至少兩種極為困擾的問題。


1.sgRNA以及Cas9有一定的機會誤切不相關的DNA,有機率影響得到一啲對生命運行方面上極之為重要的DNA。


2.現今暫時尚未有方法可以導致HDR機制100%的運行,而且普遍細胞傾向選取NHEJ機制修復DNA,所以利用CRISPR技術並不能夠保證寫包單可以精準修改DNA。



本人為原作者,文章亦有上載至連登討論區。

深入淺出CRISPR基因編輯技術

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