來自美國杜克大學(xué)的研究者們研究出一種新的方式，可以不必使用加入額外的基因片段來改變細(xì)胞特性，而是直接用 CRISPR 基因工程技術(shù)，將本來就存在于基因組上的基因片段活化，以此達(dá)成改變細(xì)胞功能的作用。

自從 2006 年京都大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所（Institute for Frontier Medical Sciences, Kyoto University）山中伸彌教授發(fā)現(xiàn)了纖維組織母細(xì)胞（fibroblast，一種**結(jié)締組織細(xì)胞）轉(zhuǎn)變回尚未成熟還未分化成干細(xì)胞的方法，創(chuàng)造了誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞）。這項(xiàng)研究很快的受到重視，也讓山中伸彌教授在僅僅 6 年后就獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

在此之后，各方研究者發(fā)現(xiàn)了許多方法使兩種不同形式功能的細(xì)胞能夠互相轉(zhuǎn)換。它們的原理大多是利用加入扮演類似“主控開關(guān)”功能的基因片段，這些片段能夠開啟特定種類的細(xì)胞中一系列的基因，并生產(chǎn)該類細(xì)胞所需的蛋白質(zhì)。

在這項(xiàng)于今年 8 月 11 日發(fā)布于科學(xué)期刊 Cell Stem Cell 的研究中，科學(xué)家運(yùn)用**性的基因工程科技 CRISPR，將從小鼠分離出來的結(jié)締組織直接轉(zhuǎn)變成神經(jīng)細(xì)胞。透過這樣的方法所制造的神經(jīng)細(xì)胞，比先前用加入基因片段方式得到的神經(jīng)細(xì)胞，能夠擁有更完整而穩(wěn)定的特性。這些神經(jīng)細(xì)胞還可以做為研究神經(jīng)失調(diào)的材料，用于研究新的療法，并且發(fā)展個(gè)人化的醫(yī)學(xué)療程，除此之外，細(xì)胞**也是未來可能的運(yùn)用之一。

這項(xiàng)技術(shù)由杜克大學(xué)生物分子及組織工程學(xué) Charles Gersbach 助理教授（見首圖）所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)，在許多領(lǐng)域都有運(yùn)用的潛力。例如當(dāng)科學(xué)家需要對某**進(jìn)行研究，雖然已經(jīng)知道大多數(shù)的人的神經(jīng)細(xì)胞對于該**會(huì)有特定的反應(yīng)，但每個(gè)人體內(nèi)究竟是哪種神經(jīng)細(xì)胞中的哪些基因會(huì)對**有什么樣的反應(yīng)，這類型的研究就會(huì)需要這項(xiàng)技術(shù)，畢竟直接使用動(dòng)物甚至人類的腦部做活組織切片，肯定是不可行的，但如果是從人的手臂上取皮膚的細(xì)胞，將皮膚細(xì)胞利用 CRISPR 技術(shù)轉(zhuǎn)變成神經(jīng)細(xì)胞，再經(jīng)由各種**合并處理，科學(xué)家就能夠?yàn)樾枰娜酥谱鱾€(gè)人化的**療程。

用 CRISPR 打破原先發(fā)育生物學(xué)的不可逆細(xì)胞分化狀態(tài)

在 1950 年代，英國的發(fā)育生物學(xué)家 Conrad Waddington 所提出的想法，為往后的發(fā)育生物學(xué)打下基礎(chǔ)。未成熟的干細(xì)胞能夠分化成特定種類的成熟細(xì)胞，分化的過程就像將重物從山頂上沿著陡坡滾下，物體可以滾落到任何一個(gè)山谷之后停留在凹處。而細(xì)胞在選擇特定路線開始分化之后，就像物體沿著某一面山壁滾落，終點(diǎn)必定是該路線的末端低地，是沒有辦法臨時(shí)改變路徑的。

Gersbach 表示，如果想要改變以分化成熟細(xì)胞的既有功能以及角色，其中一個(gè)辦法就是將該細(xì)胞推回山頂，也就是原本干細(xì)胞的狀態(tài)，誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞）的概念便是如此。但除了把細(xì)胞變回干細(xì)胞的狀態(tài)之外，另一個(gè)方法就是把細(xì)胞的狀態(tài)推上側(cè)邊的山坡，不經(jīng)過原先干細(xì)胞的狀態(tài)，而是直接水平的移到旁邊的山谷里。

在先前的研究中，CRISPR 基因編輯技術(shù)的運(yùn)用通常需要透過病毒攜帶 CRISPR 所需的分子工具，并將之帶入生物體內(nèi)，進(jìn)而能夠在生物體內(nèi)生產(chǎn)大量的轉(zhuǎn)錄因子蛋白質(zhì)。借由轉(zhuǎn)錄因子的特性在不同種類的細(xì)胞內(nèi)分別和基因組內(nèi)上千個(gè)位置結(jié)合，進(jìn)而來開啟細(xì)胞內(nèi)特定的相關(guān)基因。

一聲令下，自行讓細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一種細(xì)胞

研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用 CRISPR 技術(shù)，準(zhǔn)確地活化 3 個(gè)幫助天然神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄因子的基因，打破了以往用病毒將大量復(fù)制的基因片段送入細(xì)胞的慣例。研究團(tuán)隊(duì)中的研究生 Joshua Black 表示，以病毒運(yùn)送某段細(xì)胞本來就有的片段進(jìn)入的這種方法，相較他們所研發(fā)以穩(wěn)定方式讓細(xì)胞接收短暫的轉(zhuǎn)變訊號的新方法，新方法在許多層面都比原先的要好。然而，要以這種方法達(dá)到足夠的效率就需要做到非常高的專一性，才能改變細(xì)胞內(nèi)整個(gè)運(yùn)作機(jī)制。要有效率的制造穩(wěn)定且具有和真正的神經(jīng)細(xì)胞一樣的基因機(jī)制的神經(jīng)細(xì)胞，是這項(xiàng)研究中的一大挑戰(zhàn)。

CRISPR 原本是****系統(tǒng)中的一部分，當(dāng)**被外來基因或病毒入侵時(shí)，CRISPR 系統(tǒng)可以收集入侵者的基因片段，將之嵌入自身基因組中做為“記憶”之用，等到下一次再被同樣的入侵者攻擊，**就能夠用這些“記憶”片段制造出能抑制該片段的短序列，用這些序列抑制入侵者的基因以及功能，做為防御手段。而當(dāng) CRISPR 的特性被科學(xué)家借用做為基因編輯工具，科學(xué)家不需要的抑制基因功能就被去除，只剩下將特定基因嵌入或剔除的序列修改功能。

這項(xiàng)研究結(jié)果顯示，新的 CRISPR 運(yùn)用能夠針對在老鼠腦部組織中本來就有的基因活化，藉此來制造神經(jīng)細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)以老鼠纖維組織母細(xì)胞做為受試樣本，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示以 CRISPR 技術(shù)處理之后，3 個(gè)主要的神經(jīng)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子活化神經(jīng)細(xì)胞的基因，使得原本身為纖維組織母細(xì)胞的細(xì)胞開始傳導(dǎo)電訊號，出現(xiàn)了神經(jīng)細(xì)胞的特性。這樣的特性并不會(huì)隨著后來 CRISPR 所攜帶的活化因子的移除而消失；相反的，細(xì)胞持續(xù)表現(xiàn)出神經(jīng)細(xì)胞的特性，也就是說，它現(xiàn)在已經(jīng)變成了一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。

如果我們用病毒攜帶 CRISPR 材料將細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子提升，雖然能夠讓細(xì)胞具有神經(jīng)細(xì)胞的特性，卻無法持久。若是要將細(xì)胞真正的轉(zhuǎn)變成神經(jīng)細(xì)胞，就不能夠一直依賴外在的刺激來達(dá)成，而必須要在轉(zhuǎn)變成神經(jīng)細(xì)胞之后，細(xì)胞就能獨(dú)立表現(xiàn)出神經(jīng)細(xì)胞的特性。

原本科學(xué)家常用的以病毒運(yùn)送外來基因的方式，問題在于這些基因在原本細(xì)胞中就已經(jīng)存在，而又以人工方式額外加上更多數(shù)量的特定片段，這使得后來細(xì)胞內(nèi)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄因子雖然足夠，但大多都不是由細(xì)胞原有的基因片段所制造。不過，這項(xiàng)研究所研發(fā)的新方法卻能避開這項(xiàng)缺點(diǎn)，雖然產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄因子沒那么多，但它們?nèi)际怯烧＜?xì)胞染色體上的基因所制造，也就是說，該細(xì)胞是真的開始主動(dòng)的制造轉(zhuǎn)錄因子，并且能夠穩(wěn)定的表現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的特性。研究團(tuán)隊(duì)能切換細(xì)胞內(nèi)不同基因的活化，而不是用額外的基因迫使細(xì)胞表現(xiàn)外來的基因。

從實(shí)驗(yàn)小鼠推到人類身上

研究團(tuán)隊(duì)的下一步，是要將原先作用于小鼠細(xì)胞的系統(tǒng)擴(kuò)展至人類細(xì)胞，同時(shí)提高技術(shù)效率并且去除后生基因型的影響，進(jìn)而運(yùn)用到其他特定的**模型。在未來或許可以做到制造新的神經(jīng)細(xì)胞移植到患者腦內(nèi)，來**帕金森氏癥等神經(jīng)退化**。就算這個(gè)想法還有些遙遠(yuǎn)，就目前的研究成果來看，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)對許多****方法的研發(fā)有所助益。