夏彭提耶、道納CRISPR基因編輯獲獎 張鋒成遺珠!解析2020諾獎化學獎技術:CRISPR

2020/10/08
夏彭提耶、道納CRISPR基因編輯獲獎 張鋒成遺珠!解析2020諾獎化學獎技術:CRISPR
昨(7)日,2020年諾貝爾化學獎得主出爐,由法籍學者Emmanuelle Charpentier(伊曼紐·夏彭提耶),以及美籍學者Jennifer A. Doudna(珍妮佛·道納)共同獲得,以表彰

夏彭提耶(左)、道納(右) 因CRISPR基因編輯獲2020諾貝爾化學獎。 (圖/改自Nobel Prize 官方網站)

2020.10.08 環球生技雜誌 / 記者 吳培安 編譯 

昨(7)日,2020年諾貝爾化學獎得主出爐,由法籍學者Emmanuelle Charpentier(伊曼紐·夏彭提耶),以及美籍學者Jennifer A. Doudna(珍妮佛·道納)共同獲得,以表彰其在研發CRISPR/Cas9系統的貢獻,為生物遺傳工程開創更大的可能性。值得注意的是,兩位獲獎人於2016年獲頒唐獎生技醫藥獎時,係與MIT張鋒(Feng Zhang)教授共同獲得,不過,張鋒卻與本屆諾獎失之交臂,未被列於諾貝爾獎獲獎名單中。

CRISPR/Cas9全名為「常間回文重複序列叢集/常間回文重複序列叢集關聯蛋白系統」(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat/ CRISPR associated protein 9),其原本為細菌與古細菌對抗外來入侵的適應性免疫防禦系統,後應用在DNA編輯上,大大改善了基因編輯的效率、精準度和敏銳度,甚至應用在斑馬魚、植物、猴子、豬、小鼠等多物種的遺傳工程上。

唐獎第二屆生技醫藥獎得主。左起:伊曼紐•夏彭提耶、珍妮佛•道納及張鋒。(圖/本刊資料中心)

唐獎第二屆生技醫藥獎得主。左起:伊曼紐•夏彭提耶、珍妮佛•道納及張鋒。(圖/本刊資料中心)

Charpentier、Doudna與張鋒的三方競合

CRISPR/Cas9系統,是Charpentier在研究化膿性鏈球菌 (Streptococcus pyogenes)時,發現「反式活化RNA」(tracrRNA)這種未知的分子,參與了細菌對抗病毒的免疫反應,且發現Cas9蛋白的活性會仰賴tracrRNA。其後,又找到了CRISPR RNA (crRNA)。

Doudna則在與Charpentier合作中,進一步發現,crRNA和tracrRNA這兩種RNA可以透過嵌合,形成單鏈引導RNA (sgRNA),進行「導航」、找尋目標基因,而此雙分子系統能夠讓基因體編輯更有效率,甚至是客製化,以尋找科學家想要的特定基因位置進行編輯。

2012年,兩人在此細菌免疫系統中的發現,在短短20幾天就為頂尖期刊《Science》所接受刊登。然而,在這篇文章正式刊登前,CRISPR/Cas系統的潛力就已經在科學界口耳相傳。

張鋒在2013年,即獨立進行CIRSPR/Cas系統的研究,並率先將基因體編輯帶入真核生物領域,將此系統應用在哺乳類細胞和人類細胞中,並且取得成功;而後更進一步改良出「同時編輯多個基因」、以及「同源性基因修復」的操作方法。

不過,由於張鋒在2014年4月,透過布洛德研究所(Broad Insitute)取得CRISPR在美國的首個專利,近乎囊括了與CRISPR相關的重要商業應用,因此也一度在2017年,和Charpentier與Doudna上演專利訴訟戰。

現在,三位CRISPR領域的先驅性人物,分別成立了多家各自以CRISPR技術進行開發的公司,其中的三巨頭:CRISPR Therapeutics由Charpentier所創立、Intellia Therapeutics由Doudna所創立;Editas Therapeutics由張鋒所創立。

哈佛-MIT布洛德研究所張鋒教授。(圖/本刊資料中心)

哈佛-MIT布洛德研究所張鋒教授。(圖/本刊資料中心)

CRISPR的現在與未來

自CRISPR/Cas9基因編輯系統為世人所知曉後,也逐步踏入臨床試驗領域,期盼以基因編輯為難治之症帶來嶄新療法。例如,2017年底福泰製藥(Vertex Pharmaceuticals)與CRISPR Therapeutics結盟,開發用於鐮刀型及地中海貧血症的一次性基因編輯療法。

張鋒所創辦的Editas Medicine,在今年3月與Allergan聯合宣佈,在與美國奧勒岡健康與科學大學(Oregon Health & Science University)的合作下,已完成世界首項體內CRISPR基因編輯臨床試驗中首例患者的給藥,用於治療第十型萊伯氏先天性黑蒙症(Leber’s Congenital Amaurosis type 10, LCA10)。

再生元製藥(Regeneron Pharmaceuticals)也與Intellia Therapeutics合作,將CRISPR/Cas9用於血友病療法開發,目前已經在在非人類靈長類動物中,用來刺激血友病B型患者生成缺乏的第九凝血因子(Factor IX)蛋白。

在新冠肺炎大爆發中,CRISPR系統也被各科研團隊及公司,應用在核酸篩檢工具上,目的是彌足傳統RT-PCR動輒數小時的分析速度,以及簡化核酸萃取的專業步驟。例如張鋒創立的SHERLOCK BioSciences與MIT、哈佛科學家,開發出的新冠肺炎1小時核酸篩檢,已經獲得美國FDA緊急使用授權(EUA)資格,並與體外檢測大廠Cepheid合作。

目前,科研界也正積極研發更好的基因編輯系統,例如Doudna持續在CRISPR系統取得突破,與其他科學家合作,找出更多種類的Cas蛋白,希望在蛋白的分子量、剪切特性、免疫特性上取得進展;神戶大學教授西田敬二、MIT臺裔科學家劉如謙,則分別針對CRISPR的缺陷,開發出新型的鹼基編輯(base editing)、Prime editing等。

 

參考資料:

2016年唐獎生技醫藥講得主介紹

https://www.tang-prize.org/owner_detail.php?cat=11&id=470

Science Magazine: How the battle lines over CRISPR were drawn

https://www.sciencemag.org/news/2017/02/how-battle-lines-over-crispr-were-drawn