科學家重建遠古生物蛋白質,對抗現代人類疾病

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是次研究作者之一、CRISPR 領域的先驅,西班牙分子生物學家 Francisco Mojica。 圖片來源:PLuS Alliance/YouTube

世界各地的科學家一直在南極洲冰層、海溝和火山環境中尋找微生物,追蹤可改良基因編輯技術的新蛋白質,糾正引致疾病的基因。最近,西班牙的研究團隊在「自然微生物學」雜誌表示,透過復甦已滅絕數十億年的生物蛋白質 Cas9 酶,研發出新的 CRISPR 基因編輯系統,並適用於現代人類細胞。

CRISPR 是許多細菌和古細菌的免疫系統,能夠將病毒基因序列嵌入其基因組內,當病毒再次出現時,便能作出識別。而 Cas9 酶是 CRISPR 基因編輯系統的基礎,就如剪刀般能切割任何生物的脫氧核醣核酸(DNA),從而削減被識別出的病毒基因組。CRISPR 基因編輯系統自 2012 年起研發,現已開始應用於治療人類某些疾病。

遺傳學家一直無法得知,比人類古老得多的細菌免疫系統到底怎樣形成。這項研究的基因編輯專家遂以「祖先序列重建」技術,重構已滅絕生物的基因組,再用電腦比較現存生物以評估其共同祖先的基因組。團隊重建了由 3,700 萬到 10 億年前的微生物蛋白質,並以此研發出能注入人體細胞的新 CRISPR 系統,從而編輯現代人類的 DNA。

生物學家 Francis Mojica 於 1990 年代初研究華倫西亞聖波拉鹽灘的微生物時,發現被稱為 PAM 的 DNA 序列。它能識別入侵病毒的基因組,以免細菌殺死其自身。他指是次研究卻顯示一些最古老的 Cas 酶,在沒有 PAM 的情況下仍能準確切割 DNA,證實 CRISPR 免疫系統透過演化,能減低對載體的損害,同時加強針對各種病毒。

2017 年,Francisco Mojica 接受當地「國家報」(El País)訪問時到聖波拉鹽灘上取樣。 圖片來源:El País/YouTube

巴斯克的納米科學合作研究中心研究員 Raúl Pérez-Jiménez 指出,這些古老的 Cas 蛋白或有助提升 CRISPR 基因編輯系統的功能,例如同時切割雙鏈和單鏈的 DNA 和 RNA 序列。「它們就像瑞士軍刀,包含剪刀、開瓶器、針、螺絲批⋯⋯ 它們或非最好的工具,卻一應俱全。」

另一位團隊成員、馬德里 Ramón y Cajal 醫院遺傳學負責人 Miguel Ángel Moreno Pelayo 表示,重建古代蛋白質更有助開闢自然界前所未有的 CRISPR 系統。他正和團隊研究能糾正肌萎縮性脊髓側索硬化症(ALS,俗稱漸凍人症)患者遺傳缺陷的方法。馬德里國家生物技術中心研究員 Lluís Montoliu 強調,原始 Cas 蛋白有別於現代的蛋白質而不易被人體免疫系統檢測,有助減低患者免疫系統排斥的風險。

安達盧西亞發育生物學中心的基因編輯專家 Miguel Ángel Moreno Mateos 表示,是次研究結果令人鼓舞。「尤其是古代 Cas9(蛋白質)的復活,以及它們於數十億年後的活動分析。這些重生的 Cas9 提供了新的可能,在生物技術發展方面極具潛力。」