基因改造的技術(二)基轉基改與基編基改的差別

作者: 
郭華仁/國立臺灣大學名譽教授、主婦聯盟環境保護基金會顧問

 

 

基轉基改與基編基改的差別

依照遺傳工程的技術,基因改造生物可分為(1)基轉基改生物,與(2)基編基改生物兩大類。

(一)基轉基改生物

構築體鑲入DNA,穩定地納入個體的遺傳組成,每個後代每個細胞都帶有該構築體,表現出新的特性,例如產生來自細菌的毒蛋白,或者來自細菌不怕除草劑的酵素等。

依造構築體外源基因的表現方式可再分成兩類,一類是外源基因經過轉錄,合成外源的mRNA,這個mRNA經過轉譯,合成外源的蛋白質,產生以前沒有的特性(①)。例如某些菌有可以殺菌的毒蛋白,基改公司將該細菌產生毒蛋白的基因分離出來放到構築體,轉殖到玉米,這樣的基轉基改玉米全身的細胞都會合成毒蛋白來殺蟲。

另一類是外源基因經過轉錄,合成外源的雙股RNA,一般生物體的RNA都是單股的,這個雙股RNA會分裂成單股RNA,然後在細胞內去尋找生物體自身所產生的特定RNA,互相結合,破壞該特定RNA,使之無法作用,就是無法合成自身特定的蛋白質,因此某特性就被「關掉」,無法表現出來(②)。

例如一般的蘋果切片後逐漸會呈現褐色,是因為切片果肉遇到氧氣,讓多酚氧化酶產生作用,把果肉內的酚類化合物氧化,就呈現褐色。美國基改公司透過基因轉殖,讓蘋果產生雙股RNA,這個雙股RNA會去找到會轉譯出多酚氧化酶的mRNA,兩個RNA結合,把mRNA破壞,因此無法轉譯出多酚氧化酶(也是蛋白質),所以蘋果切片就不會褐化了。


(二)基編基改生物體

基因編輯技術,號稱很精準,「編輯」這個兩字讓人聯想從一篇文章挑掉唯一的錯字,然後換上正確的字。

遺傳學者用這個詞是有點誇大其詞,因為該技術實際上只在DNA的特定點切一刀(挑掉錯字),然而切斷後的黏合修補却不是該技術可以控制的,而是細胞自行去做,而且每次修補的結果可能不一樣,就好像錯字是挑掉了,但換上的字不一定是正確的。

有趣的是,在做圖解時,都把基因編輯畫成一把剪刀,却沒人把象徵修補的針線給描出了,因為作圖的人知道該技術並沒有包括修補吧。

以下用最具應用可能性的CRIPS-CAS9基因編輯技術為例。

其實基編基改的技術在前半段也有進行基因轉殖,先分別做好構築體與原生質體,然後將構築體打入原生質體,讓構築體逢機地鑲入原生質體DNA上。

但是基因編輯所用的構築體,其內容不太一樣,該構築體也有篩選用的「抗抗生素」細菌基因,但主要是一個可以轉錄出CAS蛋白質的基因,這個蛋白質具有剪斷DNA的能力。

構築體還包括一組約20個鹼基的基因密碼,可轉錄出「引導RNA」,接著引導RNA會與CAS9蛋白質結合,而且會把CAS9蛋白質帶到DNA上特定的基因位置,在該基因的特定密碼位置上,將DNA剪出一個切口。

切口出現後原生質體會自行修補,在DNA被剪斷的地方再度黏接上,然而原來基因已發生改變,不是少了密碼,就是多了密碼。基因發生改變,不是無法在作用,就是作用的結果不一樣,這就稱為基因的編輯。這一點與基因轉殖不同,基因轉殖是表現外源基因的特性,基因編輯是改變自身的基因(SDN1、SDN2),或者表現外源基因的特性(SDN3)。

接著再把處理過的原生質體放在抗生素培養基來進行篩選,選出編輯成功的個體,然後透過組織培養再度長出植物體,重點是使用傳統育種的方法,經過幾代的交配,保留改變的基因特性,而把構築體剃除掉,因此這個基編基改生物體是不再會有構築體的作用。這一點也與基因轉殖不同,基因轉殖後,構築體還是存在基改生物體內。

基因編輯依照剪修的方式,可以再分為(③) SDN1與SDN2,以及(④) SDN3。

SDN1是在DNA剪出切口後,讓DNA自行修復,該基因修復後可能減少一、兩個鹼基,或者插入一、兩個鹼基,因此產生了點突變,通常是原來的基因不能發揮作用產生蛋白質,因此某個原有的特性就無法呈現出來。

SDN2是切口的修復則需要模板DNA片段的引導,改變目標基因的數個鹼基,而關掉原有的性狀。

SDN3是切口的修復需要更大的模板DNA片段,引導原來基因插入較多的鹼基序列來修復,修復後的DNA會帶有一段新增的基因片段,可能產生新的外源蛋白質。

 

修復方式

結果

SDN1

DNA自行修復,編輯一、兩個鹼基,產生點突變。

原來基因不能發揮作用產生蛋白質,或關掉原有的性狀。

SDN2

修復需要模板DNA片段的引導,因此會編輯數個鹼基。

SDN3

 需要更大的模板DNA片段,引導原來基因插入較多的鹼基序列來修復。

帶有一段新增的基因,並可能產生新的外源蛋白質。

 

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