科學家首次成功編輯粒線體（mitochondrion）DNA

粒線體。圖片來源：維基百科。

最近這些年炙手可熱的基因編輯技術CRISPR應該很多人都聽過。CRISPR可讓科學家們刪除或改變基因序列，是非常強大的基因編輯工具，遠勝於過去許多種不同的基因編輯系統。但是CRISPR卻無法編輯粒線體DNA，或者更正確地說，到目前為止，沒有人成功編輯粒線體DNA（也就是粒線體的基因體）過。這就是為何在出現粒線體疾病時，過去使用的方式是所謂的「粒線體移植」：將帶有不正常粒線體基因的受精卵的核，移植到帶有正常粒線體的受精卵的細胞質中，產生所謂的「三親寶寶」。

最近美國哈佛與麻省理工學院的研究團隊，終於開發出可以編輯粒線體基因的工具了。編輯粒線體基因之所以難，難在過去許多基因編輯系統都會切斷雙股DNA，但粒線體的DNA被切開後很容易分解，這是難處之一；難處之二則是如CRISPR系統雖然可以很方便的直接編輯其中一股，但CRISPR需要帶入一段RNA，而這段RNA可能無法通過粒線體的內膜。

那麼這次研究團隊是怎麼解決這些問題呢？他們發現了一種屬於伯克氏菌屬的細菌Burkholderia cenocepacia 的毒性蛋白。這種毒性蛋白會把基因上的胞嘧啶（C，cytosine）直接改成尿嘧啶（U，uracil）。過去這類的蛋白質都只能在單股DNA上作用，但這個新的蛋白質卻可以在雙股DNA上直接進行序列的改變。

但是這個蛋白是毒性蛋白，如果直接轉入細胞，細胞會被它殺死。於是他們先把這種毒性蛋白切成兩半使它失去毒性，接著再把這切成兩半的毒性蛋白接上會辨認TALE DNA的蛋白質（TALE DNA-binding proteins），讓辨認TALE DNA的蛋白質帶領它到指定的序列去，接著這蛋白質就可以把它看到的C改成U了。

因為這個系統需要辨認TALE DNA的蛋白質，所以它在修改DNA的彈性上大大不如CRISPR（這個系統每次要修改一個新的基因，就要找一個新的TALE DNA辨認蛋白來接上去）。但是能修改粒線體DNA，已經是非常大的進步！目前研究團隊觀察到，在送入細胞後，有一半的粒線體基因可以被修改。研究團隊希望在將來，這個技術可以被應用在粒線體疾病的基因療法上。

參考文獻：

Mok BY, de Moraes MH, et al. A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature, 2020 DOI: 10.1038/s41586-020-2477-4

中國科學家改造人類胚胎引發的爭議

今年（2015）的四月十八日，有一篇文章悄悄地出現在Protein Cell這本期刊上。說悄悄，其實也不全然；根據通信作者、廣州中山大學的黃軍就副教授說，他們曾投稿到「自然」與「科學」這兩本期刊，但是都被以違反生物倫理的理由拒絕了。究竟是什麼研究呢？

是「基因編輯」（gene editing）。基因編輯已經不是新鮮事，植物都已經在做了；但新鮮的是，黃老師的研究團隊使用了人類胚胎。

在這篇研究論文中，研究團隊使用了86個「問題胚胎」進行測試。為什麼說是「問題胚胎」呢？因為這些胚胎是由一個卵與兩個精子結合而成的、具有三套染色體；因此，它們無法發育成正常的嬰兒。

接著，他們使用了最近幾年非常受歡迎的CRISPR/Cas9系統，來編輯這些胚胎中的β-球蛋白基因（β-globin gene，HBB）的序列。β-球蛋白基因的變異，是造成地中海貧血的原因之一，也是中國南方最常見的血液遺傳疾病之一。

β-球蛋白。圖片來源：wiki

48小時後，大約有80%的胚胎存活；在這些存活下來的胚胎中，黃老師的研究團隊仔細地檢驗了其中的54個，發現只有28個編輯成功（約為52%）。但是研究團隊也發現，在這28個胚胎裡，還存在著不能允許的狀況：其他位點的突變（off-target cleavage）。而且，這些突變並不僅限於與β-球蛋白基因相似度甚高的δ-球蛋白基因（HBD）而已，也包括了其他的區域。雖然研究團隊事先已經在人類的293T細胞株中測試過，並挑選了一個在293T細胞株中沒有發生其他位點突變的位置，來進行基因編輯；結果突變還是發生了。

由於編輯成功率不高，加上發生了其他位置的突變，因此研究團隊認為，要將CRISPR/Cas9的技術應用在人的基因編輯上還太早。黃老師在接受「自然」雜誌的新聞團隊訪問時也提到，要應用在人身上，一定要百分之百才行。

但是這個研究還是在國際間引發了軒然大波。論文在四月十八日出刊後，「自然」雜誌的新聞在四天後上線；接著在四月二十九日，美國國家衛生研究院（NIH，National Institute of Health）重申：禁止以人類胚胎從事基因編輯實驗。

對歐美各國，不能任意使用人類的材料已經是共識。在台灣，要使用人類材料一定要經過嚴密的審核。因此，「自然」雜誌的新聞團隊在訪問時，曾詢問這些胚胎從何而來？但黃老師只有提到是從附近進行人工受精的診所取得。對於中國的科研環境來說，或許沒有什麼不妥；但對歐美、以及臺灣來說，這樣的作法卻違反了生物倫理。

因此，筆者觀察到國外的新聞多半都是以負面的標題來呈現。「自然」雜誌與BBC的新聞標題算是中性的，但其他媒體就沒有那麼客氣了：

謠言成真！中國科學家編輯人類胚胎！（華盛頓郵報）

中國科學家編輯人類胚胎震驚世界！（每日電訊報）

中國科學家編輯人類胚胎引發恐懼（今日美國報）

但是在中國，黃軍就老師的研究成果受到了很大的肯定。包括清華大學、上海復旦大學的教授都出來表示支持。其中，上海復旦大學的趙世民教授說，黃軍就的團隊「完全沒有道德問題」，甚至說「編輯人類DNA是不可避免的」。

據「自然」雜誌新聞說，在中國可能至少四個團隊在從事人類胚胎的基因編輯實驗。雖然在歐美不合法，但畢竟中國不在歐美境內，所以即使NIH說不可以、許多歐美的科學家跳出來反對，但面對境外事物，歐洲與美國也只能重申在自己的境內不行。出了國境便無法可管。

而筆者在閱讀過黃老師研究團隊的論文後，倒是有個疑問：在研究團隊使用「問題胚胎」之前，他們先使用了人類293T細胞株進行測試；而測試的結果大約有48.3%的細胞編輯成功。雖然黃軍就老師在訪問中提到，低（52%）成功率有可能是因為染色體套數的問題，但對照293T的結果，似乎不是如此。或許未來任何對這個題目有興趣的研究團隊，應該先在人類細胞株中努力達成100%的編輯率並將其他位點發生突變的比率降到0%，再來才能考慮在人的胚胎（不管是否為問題胚胎）上試驗？而為何黃老師的研究團隊，當在293T細胞株中試驗只有一半的成功率時，就率爾躍進到人類胚胎呢？是否是因為有其他團隊也快要成功了，有「首發壓力」呢？這就不是我們能了解的部分了。

（本文版權為台大科教中心所有，其他單位需經同意始可轉載）

參考文獻：

Puping Liang, Yanwen Xu, Xiya Zhang, Chenhui Ding, Rui Huang, Zhen Zhang, Jie Lv, Xiaowei Xie, Yuxi Chen, Yujing Li, Ying Sun, Yaofu Bai, Zhou Songyang, Wenbin Ma, Canquan Zhou, Junjiu Huang. 2015. CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes. Protein Cell. 6(5):363-372.

David Cyranoski and Sara Reardon. 2015/4/22. Chinese scientists genetically modify human embryos. Nature News.

諸平。2015/4/24。中山大學黄軍就副教授的人類胚胎基因修飾引爭議（附原文）。

Sara Reardon and Nature magazine. 2015/4/29. Ban DNA Editing Human Embryos, NIH Says. Scientific American.