[基因轉殖類]  基因體編輯    難度: 5

 

第一層：基本定義介紹

Genome Editing 是指直接在生物體染色體 DNA 上進行基因體的編輯，而所謂的編輯包括了刪除或是插入一段 DNA 序列。

 

第二層：詳細解釋

和一般重組 DNA 技術不同 (延伸知識 1：DNA 重組技術)，基因體編輯是在活體細胞的細胞核中進行 DNA 重組。活體細胞的染色體 DNA 十分脆弱，目前的技術無法取出完整的染色體 DNA，修改後再完整送回細胞中。因此，必須使用活體內的 DNA 編修機制來達到基因組編輯的目的。

 

最常使用的機制是細胞內的雙股斷裂修補機制 (Double Strand Break，簡稱 DSB) 修補機制 (延伸知識 2：DSB 修補機制)，當細胞發生 DSB 時，為了快速修補 DNA 損傷，細胞會進行兩種修補方式：1. 如果有同源 (序列相似) 的 DNA 存在時，會進行同源互補 (homologous recombination)。2. 非同源端點結合 (Non-homologous end join，簡稱 NHEJ)。在應用上，如果走第一種途徑，科學家可以用一段同源序列把要修改的 DNA 帶入染色體中，達到插入型的基因組修改；如果走第二種途徑，則修補時可能造成序列欠損，而達到刪除型的基因組修改目的。

 

第三層：延伸說明與應用實例

不同物種的基因組編輯成功機率都不相同，以細菌與酵母菌為例，其染色體很容易進行同源重組，因此在這些細胞內進行基因組編輯相對容易，只要將欲修改的序列夾帶進同源序列中，製造成基因重組載體 (延伸知識 3：基因重組載體)，然後轉型/轉染細胞 (延伸知識 4：細胞轉型/轉染)，就有很大的機會可以得到基因組編輯成功的細胞。

 

但是像是哺乳類細胞，很不容易進行同源重組，因此通常只能在細胞層次進行，以大量細胞來換取基因組編輯實驗的成功機會。若是要提高基因組編輯成功機會，則必須以人工的方式在染色體目標區域製造 DSB。原本常在一般重組 DNA 所使用的限制酶辨識的序列，因為在染色體中不夠專一，會將染色體切碎 (延伸知識 5：限制酶原理)，所以並不適合使用。近年來發展出幾種更專一的分子切割工具，例如 1. Zinc Finger Nuclease (ZFN); 2. TALEN; 3. CRISPR/Cas9 (延伸知識 6：基因組編輯工具)。這些更精準的核酸酶，可以在染色體的特定位置製造 DSB，進而提高基因組編輯的效率。

 

基因組編輯的應用，在基礎研究上可以幫助科學家更了解基因的功能。例如基因剃除 (gene knockout)，可以把某一基因的功能完全關閉，從而觀察細胞或是個體的生理變化，以逆向遺傳學 (延伸知識7：逆向遺傳學) 的方式研究基因的功能。或是以基因敲入 (knock-in) 的方式，將報導基因送入特定位置，可以用來研究啟動子調節的機轉 (延伸知識 8：啟動子活性分析)。在臨床應用上，目前已經有科學家在研究利用基因組編輯技術，來修補先天遺傳的缺陷，在將修補完成的細胞植回病人體內，達到治療的效果。不過相關實驗目前除了仍有安全性的疑慮之外，也有一些道德上的爭議，目前仍然只在基礎研究上應用。

 

 

學生須瞭解的延伸知識：