我們可以透過重寫 DNA 治癒遺傳性疾病嗎?
-
0:01 - 0:05父母親給你的最貴重的禮物,
-
0:05 - 0:08就是兩組三十億個字母的 DNA,
-
0:08 - 0:10它們組成了你的基因組。
-
0:10 - 0:12但,跟所有三十億個元件
組成的東西一樣, -
0:13 - 0:14這個禮物也很脆弱。
-
0:15 - 0:18日曬、抽菸、不健康的飲食,
-
0:18 - 0:21甚至你細胞自發產生的錯誤
-
0:21 - 0:24都有可能會改變你的基因組。
-
0:25 - 0:28最常見的 DNA 改變
-
0:28 - 0:31就是換掉一個字母,也就是鹼基,
-
0:31 - 0:33比如把 C 換成一個不同的字母,
-
0:33 - 0:36比如 T、G,或 A。
-
0:37 - 0:40每天,你身體中的細胞
全部加起來累積有 -
0:40 - 0:45數十億次這種單一字母替換,
亦稱為「點突變」。 -
0:46 - 0:49大部分的點突變無害。
-
0:49 - 0:50但有時候
-
0:50 - 0:54點突變會干擾細胞裡的
某個重要功能, -
0:54 - 0:57或是導致傷害性的細胞失常行為。
-
0:58 - 1:01如果那個突變遺傳自你的父母親,
-
1:01 - 1:04或是在你年幼時就發生了,
-
1:04 - 1:07那麼,造成的結果就是
你很多或所有的細胞 -
1:07 - 1:09都含有這種有害的突變。
-
1:09 - 1:12那麼你就得到機率只有數億分之一的
-
1:12 - 1:14基因(突變)型疾病,
-
1:14 - 1:17比如鐮刀型紅血球疾病或是早衰症,
-
1:17 - 1:20或是肌肉萎縮症,
或精神性痴呆症。 -
1:22 - 1:25由點突變所造成的
令人痛苦的基因型疾病 -
1:25 - 1:27特別令人挫折,
-
1:27 - 1:30因為我們通常確知
是哪一個字母的改變 -
1:30 - 1:35造成這種理論上可以治癒疾病。
-
1:35 - 1:38數百萬人飽受
鐮刀型紅血球疾病之苦, -
1:38 - 1:41因為他們血紅素基因的兩個複本
-
1:41 - 1:44都有一個 A 換成 T 的突變。
-
1:46 - 1:47早衰症的兒童則是在出生時
-
1:48 - 1:51基因組中的某個單一位置有個 T,
-
1:51 - 1:53但那裡本來應該是 C,
-
1:53 - 1:57產生的結果會有很大的影響,
這些美好、聰明的孩子, -
1:57 - 2:01會以非常快的速度老化,
大約在十四歲時就會過世。 -
2:02 - 2:04在醫學史上,
-
2:04 - 2:05我們還沒有方法
-
2:05 - 2:09可以在活體上有效地校正點突變,
-
2:09 - 2:12將造成疾病的 T 改回原本的 C。
-
2:13 - 2:15也許現在有辦法了。
-
2:15 - 2:20因為我的實驗室最近
成功開發了這種能力, -
2:20 - 2:21我們稱之為「鹼基編輯」。
-
2:23 - 2:25關於我們如何開發出
鹼基編輯的故事, -
2:25 - 2:28其實始於三十億年前。
-
2:29 - 2:32我們認為細菌是感染的源頭,
-
2:32 - 2:35但細菌本身也有可能會受到感染,
-
2:35 - 2:37特別是會被病毒感染。
-
2:38 - 2:40所以,大約三十億年前,
-
2:40 - 2:44細菌演化出一種防禦機制
來對抗病毒感染。 -
2:46 - 2:48這就是如今較為熟知的
CRISPR 防禦機制。 -
2:49 - 2:52CRISPR 中的導彈頭,
就是這個紫色的蛋白質, -
2:52 - 2:56它就像是分子剪刀,
可以剪斷 DNA, -
2:56 - 2:58把雙股螺旋斷成兩半。
-
2:59 - 3:03如果 CRISPR 無法區別出
細菌和病毒 DNA 的不同, -
3:03 - 3:06它就不會是個很有用的防禦系統。
-
3:06 - 3:09但 CRISPR 最驚人的特色是
-
3:09 - 3:14它的剪刀可以透過編程只去搜尋、
-
3:14 - 3:17結合和剪斷
-
3:17 - 3:19特定的 DNA 序列。
-
3:21 - 3:24所以,當細菌初次遇到病毒時,
-
3:24 - 3:28它能夠儲存病毒的一小段 DNA,
-
3:28 - 3:31當成引導 CRISPR 剪刀的程式,
-
3:31 - 3:35在將來被感染時,能夠剪斷
該病毒的 DNA 序列。 -
3:36 - 3:41剪斷病毒的 DNA,
會打亂它的基因功能, -
3:41 - 3:43進而干擾該病毒的生命週期。
-
3:46 - 3:51出色的研究者,包括埃馬紐埃爾
卡彭蒂耶、喬治丘奇、 -
3:51 - 3:54詹妮弗杜德納,及張鋒,
-
3:54 - 3:57六年前就示範過如何
透過編程讓 CRISPR 剪刀 -
3:57 - 4:00剪斷我們選定的 DNA 序列,
-
4:00 - 4:03包括在你的基因組中的序列,
-
4:03 - 4:06將細菌所選擇的
病毒 DNA 序列取代掉。 -
4:07 - 4:09但,後果其實蠻相似的。
-
4:10 - 4:12剪斷你基因組中的 DNA 序列
-
4:12 - 4:17通常也會干擾被剪斷的基因的功能,
-
4:17 - 4:20就在我們剪斷點上插入和刪除
-
4:20 - 4:23隨機混合的 DNA 字母時發生。
-
4:25 - 4:29干擾基因在某些應用上非常有用。
-
4:30 - 4:34但,對於大部分會造成
基因型疾病的點突變, -
4:34 - 4:39單單只剪斷已經突變的基因,
對病人並沒有益處, -
4:39 - 4:43因為突變基因的功能
必須要被恢復, -
4:43 - 4:45而不是被進一步干擾。
-
4:45 - 4:48所以,剪斷這個已經突變
-
4:48 - 4:51且造成鐮刀型
紅血球疾病的血紅素基因, -
4:51 - 4:54並不能夠恢復病人
製造健康紅血球的能力。 -
4:56 - 5:00雖然我們可以將新的
DNA 序列放入細胞中, -
5:00 - 5:03取代剪斷點周圍的 DNA 序列,
-
5:03 - 5:08但不幸的是,這個過程
在大部分類型的細胞中行不通, -
5:08 - 5:12被干擾的基因仍主宰病患。
-
5:12 - 5:14和許多科學家一樣,
我也夢想在未來 -
5:15 - 5:17我們可以治療或甚至治癒
-
5:17 - 5:19人類的基因型疾病。
-
5:19 - 5:23但我沒發現解決點突變問題的方法,
-
5:23 - 5:26點突變正是大部分
人類基因型疾病的成因, -
5:26 - 5:29是檔在我們前面的大問題。
-
5:29 - 5:32身為化學家,我開始
和我的學生合作, -
5:32 - 5:37開發新方法,直接對
個別 DNA 鹼基進行化學反應, -
5:37 - 5:43不是干擾,而是真正修復
導致遺傳疾病的突變。 -
5:45 - 5:47經過努力,我們開發出了分子機器,
-
5:47 - 5:48叫做「鹼基編輯器」。
-
5:50 - 5:55鹼基編輯器用 CRISPR 剪刀的
可編程搜尋機制, -
5:55 - 5:58但不是用來剪斷 DNA,
-
5:58 - 6:01而是直接將一個鹼基
轉換成另一個鹼基, -
6:01 - 6:03不干擾到基因的其它部位。
-
6:05 - 6:09所以,如果你把渾然天成的
CRISPR 蛋白質視為分子剪刀, -
6:09 - 6:12那麼你可以把鹼基編輯器視為鉛筆,
-
6:12 - 6:15能夠直接改寫 DNA 字母,
-
6:16 - 6:20做法是重新安排一個
DNA 鹼基的原子, -
6:20 - 6:22讓它成為另一個不同的鹼基。
-
6:24 - 6:26大自然中沒有鹼基編輯器。
-
6:27 - 6:30事實上,我們設計了人類第一個
鹼基編輯器,在這裡可以看到, -
6:30 - 6:31我們用了三個不同的蛋白質,
-
6:31 - 6:34它們甚至可以不用是
來自同一個有機體。 -
6:34 - 6:39我們先從 CRISPR 剪刀著手,
讓它失去剪斷 DNA 的能力, -
6:39 - 6:41保持其以編程方式
-
6:41 - 6:46搜尋和結合目標 DNA 序列的能力。
-
6:46 - 6:49藍色標示的是失去
能力的 CRISPR 剪刀, -
6:49 - 6:52我們黏上第二種
蛋白質,用紅色標示, -
6:52 - 6:56它會在 DNA 鹼基 C 上面
發生化學反應, -
6:56 - 7:01將它轉換成一個
行為類似 T 的鹼基。 -
7:01 - 7:04第三,在之前的兩個蛋白質上,
我們還要再加上 -
7:04 - 7:05用紫色標示的蛋白質,
-
7:05 - 7:09它能夠保護被編輯過的鹼基
不會被細胞給移除。 -
7:10 - 7:13最後就會產生一個
人造的三部件融合蛋白質, -
7:13 - 7:16這是人類第一次製作出
-
7:16 - 7:21可以在基因組中的特定位置
將 C 轉換成 T 的蛋白質。 -
7:21 - 7:25但,即使做到這樣,
我們的工作也才完成一半。 -
7:25 - 7:27為要在細胞中達到穩定,
-
7:27 - 7:31DNA 雙股螺旋的兩股
必須要形成鹼基對。 -
7:32 - 7:36因為 C 只能和 G 配對,
-
7:36 - 7:39且 T 只能和 A 配對,
-
7:40 - 7:45若只把 DNA 上的 C 改成 T,
會造成無法配對的狀況, -
7:45 - 7:47當 DNA 的兩股之間產生衝突,
-
7:47 - 7:52細胞為了解決問題
必須選擇一股來替換。 -
7:53 - 7:59我們發現可以進一步
將這個三部件融合蛋白質再改造, -
7:59 - 8:03將未被編輯的那一股
標記為要被取代的目標, -
8:03 - 8:04只要在那一股上刻記即可。
-
8:05 - 8:08這個小小刻記便能騙過細胞,
-
8:08 - 8:13細胞便會在重製被刻記的那一股時,
-
8:13 - 8:15用 A 來取代未被編輯的 G,
-
8:15 - 8:19這樣就能完成轉換,
將原本的 C-G 配對 -
8:19 - 8:22轉換為穩定的 T-A 配對。
-
8:25 - 8:26由博士後研究員
艾莉西斯•柯摩爾領軍, -
8:26 - 8:30在實驗室努力多年後,
-
8:30 - 8:33我們成功開發出了
第一類鹼基編輯器, -
8:33 - 8:35它能在我們標靶的位置上,
-
8:35 - 8:39將 C 轉換為 T,
將 G 轉換為 A。 -
8:41 - 8:46在已知的三萬五千種
和疾病相關的點突變中, -
8:46 - 8:50第一鹼基編輯器可以
逆轉其中兩類突變, -
8:50 - 8:56這兩類加總起來就佔了五千種
(14%)點突變疾病。 -
8:57 - 9:01但若要校正最大部分
造成疾病的點突變, -
9:01 - 9:05需要開發第二類鹼基編輯器,
-
9:05 - 9:09它能將 A 轉換為 G,
將 T 轉換為 C。 -
9:11 - 9:15由博士後研究員妮可•嘉德利領軍,
-
9:15 - 9:18我們在實驗室裡
準備開發第二類鹼基編輯器, -
9:18 - 9:24理論上,幾乎可以校正
一半以上的點突變疾病。 -
9:24 - 9:28包括會造成快速老化的早衰症突變。
-
9:30 - 9:33我們知道可以再次藉助
-
9:33 - 9:37CRISPR 剪刀的定位機制,
-
9:37 - 9:43把新的鹼基編輯器
定位到基因組的特定位置。 -
9:44 - 9:47但我們很快就會遇到一個大問題;
-
9:48 - 9:50換句話說,在 DNA 裡
-
9:50 - 9:54沒有已知的蛋白質可以把 A 轉變成 G
-
9:54 - 9:56或 T 轉變成 C 。
-
9:57 - 9:59面對這麼大的障礙,
-
9:59 - 10:01大部分學生不是另找專題
-
10:02 - 10:03就是另找指導教授。
-
10:03 - 10:04(笑聲)
-
10:04 - 10:06但妮可同意繼續這個
-
10:06 - 10:09當時看起來相當瘋狂的研究計畫。
-
10:10 - 10:12由於沒有這個渾然天成的蛋白質
-
10:12 - 10:14來完成必要的化學反應,
-
10:15 - 10:18我們決定在實驗室自己設計出
-
10:18 - 10:22能把 A 轉換成
有 G 行為表現的蛋白質 , -
10:22 - 10:27我們從 RNA 上尋找有相關
類似化學表現的蛋白質著手。 -
10:27 - 10:31我們建立了一個
達爾文適者生存的選擇系統, -
10:31 - 10:35它可以從好幾千萬個變體蛋白質中
-
10:35 - 10:36篩選出稀有的變體,
-
10:36 - 10:40只讓呈現必要化學反應的
蛋白質存活下來。 -
10:42 - 10:44我們最後找到了這個蛋白質,
-
10:44 - 10:47第一個在 DNA 裡可以把
-
10:47 - 10:49A 轉變成 G 的蛋白質。
-
10:49 - 10:51當我們把蛋白質黏到
-
10:51 - 10:53失去剪刀效力的 CRISPR 上,
用藍色顯示, -
10:54 - 10:56就可以做出第二鹼基編輯器,
-
10:56 - 10:59它可以把 A 轉變成 G。
-
10:59 - 11:03然後利用相同的「股刻記」策略,
-
11:03 - 11:04也就是我們在第一鹼基編輯器上
運用的策略, -
11:04 - 11:09可以在重製刻記股時騙過細胞,
-
11:09 - 11:12讓還沒編輯過的 T 變成 C。
-
11:12 - 11:16如此就完成了 AT 鹼基
轉換成 GC 鹼基的過程。 -
11:17 - 11:19(掌聲)
-
11:19 - 11:20謝謝。
-
11:20 - 11:23(掌聲)
-
11:23 - 11:26身為一位美國的學術科學家,
-
11:26 - 11:28我還真不習慣講到一半
被掌聲中斷。 -
11:28 - 11:31(笑聲)
-
11:31 - 11:36我們開發出這兩個類型的
鹼基編輯器, -
11:36 - 11:38一個是在三年前,
另一個在一年半之前。 -
11:39 - 11:41雖然問世的時間不長,
-
11:41 - 11:45鹼基編輯已經在生化研究領域
被廣泛運用了。 -
11:46 - 11:50我們的鹼基編輯器
應全球一千多位研究人員的索取, -
11:50 - 11:54已經送出了六千多組。
-
11:55 - 11:58有好幾百篇在有機體裡
運用鹼基編輯器的 -
11:59 - 12:02相關科學研究論文
已經陸陸續續發佈了, -
12:02 - 12:06範圍從細菌到植物,
老鼠到靈長類動物都有。 -
12:08 - 12:10因為鹼基編輯器的技術還很新,
-
12:10 - 12:12目前無法運用在人類的臨床實驗,
-
12:12 - 12:15但科學家已經在動物身上,
-
12:15 - 12:20成功地完成了相當重要的目標,
-
12:21 - 12:24已經把人類基因型疾病的
點突變校正回來。 -
12:26 - 12:27例如,
-
12:27 - 12:31由盧克•寇蘭及瓊•拉維領軍,
-
12:31 - 12:33與我實驗室的兩位學生
組成科研團隊,共同參與合作, -
12:33 - 12:37最近利用一個病毒
將第二鹼基編輯器 -
12:37 - 12:40送進患有早衰症的老鼠身上,
-
12:40 - 12:43成功地將肇病的 T 轉換回 C,
-
12:43 - 12:48並把牠的序列逆轉回
DNA、RNA和蛋白質狀態。 -
12:49 - 12:52鹼基編輯器也已被用在動物身上,
-
12:52 - 12:55它可以逆轉酪胺酸血症、
-
12:56 - 12:59乙型地中海貧血症、肌肉萎縮症、
-
12:59 - 13:03苯丙酮尿症、先天性耳聾、
-
13:03 - 13:05還有心血管疾病的序列。
-
13:05 - 13:09每一個案例,都能直接校正
-
13:09 - 13:12肇病的點突變。
-
13:14 - 13:17鹼基編輯器也被運用在植物上,
-
13:17 - 13:20藉由改變個別的 DNA 字母
-
13:20 - 13:22可以生產出更好的農產品。
-
13:22 - 13:25生物學家也已經利用鹼基編輯器
-
13:25 - 13:30探測出基因裡個別字母所扮演的角色,
例如癌症疾病基因。 -
13:31 - 13:36兩家我共同創立的公司:
Beam Therapeutics 和 Pairwise Plants, -
13:36 - 13:39正在運用鹼基編輯技術
治療人類的基因型疾病 -
13:39 - 13:41及改善農業。
-
13:42 - 13:47這些鹼基編輯的應用
發生在過去不到三年的時間裡: -
13:47 - 13:50在科學歷史的時間尺度上
僅僅是眨眼之間。 -
13:53 - 13:54在全盤了解鹼基編輯器的潛力前,
-
13:54 - 13:57眼前還要再努力的工作就是
-
13:57 - 14:01改善基因型疾病病人的生活。
-
14:01 - 14:03雖然這些疾病被認為
-
14:03 - 14:06可由校正潛在的突變來治療,
-
14:06 - 14:09但即使只是在器官裡一小部分細胞,
-
14:09 - 14:12傳送鹼基編輯器這類的分子機器
-
14:12 - 14:14到人類的細胞裡面,
-
14:14 - 14:16仍充滿著挑戰。
-
14:17 - 14:20利用會讓你感冒的自然界病毒,
-
14:20 - 14:23把鹼基編輯器傳送到細胞的方式,
-
14:23 - 14:25是其中一個還不錯的傳送策略,
-
14:25 - 14:28這個策略已經被成功運用。
-
14:28 - 14:31持續開發新的分子機器,
-
14:31 - 14:35找出剩餘還沒辦法轉換的鹼基,
-
14:35 - 14:40盡可能不去編輯不在靶區的細胞
-
14:40 - 14:41至關重要。
-
14:42 - 14:46而其他科學家、醫生、
倫理學家、政府的參與也很重要, -
14:47 - 14:49大家一起深思熟慮看看要如何
-
14:49 - 14:54最大化、安全地、符合倫理地
應用鹼基編輯技術, -
14:54 - 14:57是我們的重責大任。
-
14:58 - 14:59雖然這些挑戰仍在,
-
14:59 - 15:03但如果你在五年前問我,
-
15:03 - 15:04全球的研究人員,
-
15:05 - 15:08正在利用實驗室
設計出來的分子機器, -
15:08 - 15:11直接把單一鹼基對還原成
-
15:11 - 15:12另一鹼基對,
-
15:12 - 15:15而且是在人類基因組裡的特定位置上
-
15:15 - 15:19有效地且最小化發生其它結果地
執行還原。 -
15:19 - 15:20我可能會問:
-
15:20 - 15:22「你在看哪一本科幻小說?」
-
15:24 - 15:27感謝這群全力付出、
勤奮努力的學生們, -
15:27 - 15:32他們的創意讓我們可以
透過基因工程設計我們自己。 -
15:32 - 15:35並勇敢地設計出
我們所辦不到的事, -
15:35 - 15:38鹼基編輯已經開始從
科幻小說裡渴望的夢想 -
15:38 - 15:42轉變成振奮人心的真實技術,
-
15:42 - 15:45或許我們給後代的最重要禮物,
-
15:46 - 15:49除了三十億個字母 DNA,
-
15:49 - 15:52還有保護及修護它們的方法。
-
15:52 - 15:53謝謝。
-
15:54 - 15:58(掌聲)
-
15:58 - 15:59謝謝。
- Title:
- 我們可以透過重寫 DNA 治癒遺傳性疾病嗎?
- Speaker:
- 劉如謙博士
- Description:
-
患有遺傳性疾病、基因突變型疾病、鐮刀型紅血球疾病、酪胺酸血症、乙型地中海貧血症、苯丙酮尿症、先天性耳聾、早衰症、肌肉萎縮症、精神性痴呆症的病患們有希望了!
台裔美籍生化學家劉如謙博士在這場科學發現的演說中,與我們分享他的突破技術:他與實驗室成員開發的「鹼基編輯器」可以重新編寫 DNA ,把 CRISPR 技術再次邁前一大步:如果 CRISPR 蛋白質是分子剪刀,可以透過編碼方式剪斷特定 DNA 的序列,那麼鹼基編輯器就是鉛筆,可以直接把一個 DNA 字母重寫成另一個字母。讓我們來認識這些分子機制的工藝,以及它們將如何治療或治癒基因型疾病的潛力。 - Video Language:
- English
- Team:
closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 16:12
![]() |
Helen Chang approved Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | |
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Helen Chang edited Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | |
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Helen Chang edited Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | |
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Helen Chang edited Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | |
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Helen Chang edited Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | |
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Helen Chang edited Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | |
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Congmei Han accepted Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? | |
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Congmei Han edited Chinese, Traditional subtitles for Can we cure genetic diseases by rewriting DNA? |