細菌和基因裁縫的剪刀 (2020年諾貝爾獎專題文章)

作者海山基因團隊 12月 04, 2020

兩個月前瑞典皇家科學院公布了2020年諾貝爾化學獎獲獎名單，這項殊榮由法國女科學家Emmanuelle Charpentier (彭蒂耶) 和美國女科學家Jennifer Doudna (杜德納) 共同研究的基因編輯工具－CRISPR/Cas9 獲得。 CRISPR (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats) 中譯「常間回文重複序列叢集」，原本是細菌的簡單免疫機制：細菌透過這種序列把襲擊過它的病毒基因儲存，再利用 Cas9 蛋白酶把再次入侵的病毒基因剪斷，防止病毒複製，擊退病毒。在短短八年間，兩位女科學家的發現被發展成造福人類的重要技術。

細菌的CRISPR免疫系統:

彭蒂耶在研究化膿性鏈球菌(Streptococcus pyogenes)時，發現在細菌的CRISPR免疫系統有一種具有導航性能的反式激活CRISPR RNA (tracrRNA), 就像領航員一樣，可以帶領Cas9 蛋白酶精準地找出外來的病毒定位，打敗病毒的入侵。與此同時，杜德納亦針對Cas9 蛋白酶的作用機制作出研究，讓這兩名科學雙雙提出可以利用細菌CRISPR免疫系統的運作機制應用在編輯基因工程上，能更加精準地找出相應DNA，把其基因敲除或轉換。這種編輯基因工具賦予基因工程科學家一把「基因剪刀」，讓他們為成基因工程的「裁縫師」；在這把剪刀上自行配置定位導航，能夠準確地剪裁及修改基因，大大節省時間和提升效率。這項技術現時已廣泛地應用在不同的動植物、細菌和真菌的研究上。

改良益生菌質素:

不少科學家正把CRISPR/Cas9編輯基因工具應用在益生菌如乳酸桿菌 (Lactobacilli) 和雙歧桿菌 (Bifidobacteria)上，來提升益生菌菌株質素，使之能夠承受食品工業加工過程的破壞、並在腸道中保持最佳性能。

維持腸道菌群生態和腸道健康

細菌的CRISPR免疫系統除了可作為編輯基因工具外，亦可用來找出腸道噬菌病毒 (phages)。有研究透過收集並重組124位歐洲人士腸道細菌的CRISPR免疫基因去比對991種噬菌病毒，結果有78％的帶有CRISPPR基因的噬菌病毒能在兩個或以上受試者中出現。從而推論出腸道菌群中帶有CRISPPR免疫系統的細菌，會在腸道抵抗噬菌病毒襲擊，維持腸道菌群生態和腸道健康。

CRISPR/Cas9這編輯基因工具已經在生物學、醫療、食品、環保及製造工業上大派用場，為大眾的健康和生活添上更多貢獻。

精簡版於2020年12月4日晴報刊登

參考資料/延伸閱讀:

＜益生第一關＞2018/11/30 --『[2018年諾貝爾] 腸道微生物影響癌症免疫治療』

https://hskgene.com/blogs/probiolife-first/nobel_prize_gut_microbiome_cancer

＜益生第一關＞2017/11/10 -- 『生理時鐘。腸道菌。肥胖。益生菌 (2017 諾貝爾獎專題文章)』

https://hskgene.com/blogs/probiolife-first/body-clock-and-microbiome

Easy Reading:

【諾貝爾化學獎】開發「基因剪刀」成就基因工程　兩名女學者折桂 |07-10-2020|香港01｜即時國際

https://www.hk01.com/%E5%8D%B3%E6%99%82%E5%9C%8B%E9%9A%9B/532603/%E8%AB%BE%E8%B2%9D%E7%88%BE%E5%8C%96%E5%AD%B8%E7%8D%8E-%E9%96%8B%E7%99%BC-%E5%9F%BA%E5%9B%A0%E5%89%AA%E5%88%80-%E6%88%90%E5%B0%B1%E5%9F%BA%E5%9B%A0%E5%B7%A5%E7%A8%8B-%E5%85%A9%E5%90%8D%E5%A5%B3%E5%AD%B8%E8%80%85%E6%8A%98%E6%A1%82

【基因界的威力導演】諾貝爾化學獎得主研發「基因編輯」技術，透過序列剪輯有望開發癌症新療法！| TechOrange||08-10-2020

https://buzzorange.com/techorange/2020/10/08/the-nobel-prize_in_chemistry_2020/

Defining the Future of CRISPR | NC State News|28-11-2018|

https://news.ncsu.edu/2018/11/what-is-crispr-gene-editing-barrangou/

Google Images:

crispr/cas9 基因編輯技術 crispr/cas9 applications

學術論文：

Stern A, Mick E, Tirosh I, Sagy O, Sorek R. CRISPR targeting reveals a reservoir of common phages associated with the human gut microbiome. Genome Res. 2012;22: 1985–1994. doi:10.1101/gr.138297.112

http://www.genome.org/cgi/doi/10.1101/gr.138297.112

Ishino Y, Krupovic M, Forterre P. History of CRISPR-Cas from Encounter with a Mysterious Repeated Sequence to Genome Editing Technology. Journal of Bacteriology. 2018;200. doi:10.1128/JB.00580-17

https://jb.asm.org/content/200/7/e00580-17

Goh YJ, Barrangou R. Harnessing CRISPR-Cas systems for precision engineering of designer probiotic lactobacilli. Current Opinion in Biotechnology. 2019;56: 163–171. doi:10.1016/j.copbio.2018.11.009

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0958166918301071?via%3Dihub

Roberts A, Barrangou R. Applications of CRISPR-Cas systems in lactic acid bacteria. FEMS Microbiol Rev. 2020;44: 523–537. doi:10.1093/femsre/fuaa016

https://academic.oup.com/femsre/article/44/5/523/5841184

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