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盘点|CRISPR基因编辑技术研究进展
  • 发布日期:2019-04-25      浏览次数:425
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      作者:Carrie

       

      CRISPR/Cas这项基因编辑技术自从问世以来,已经吸引了无数欢呼和掌声,在短短几年之内,它已经成为了生物科学领域最炙手可热的研究工具。然而它最近也频频被“泼冷水”,那么基因编辑未来究竟何去何从呢?

      基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行“编辑”,实现对特定DNA片段的敲除、加入等。CRISPR/Cas基因编辑技术是继锌指核酸内切酶(ZFN)”、“类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)”之后出现的第三代基因组定点编辑技术。

      我们先来了解一下近期科学研究者们运用这把基因魔剪做的研究。

       

      基因编辑技术如日中天

       

      ——HIV疫苗再获突破!

       

      一般而言,对抗HIV(人类免疫缺陷病毒)感染的最成功的方法是疫苗。然而HIV并不是个“省油的灯”,它十分狡猾,不断地改变以伪装自己,同时它还可以藏匿到细胞质之内,这样使其对疫苗的抵抗力很强,还会人体的免疫系统丧失功能,这也正是艾滋病如此 致命、难以攻克的原因。

      在通常情况下,人体不能依靠自身免疫系统抵御HIV病毒。但在非常罕见的情况下,受感染的个体会产生广泛的中和抗体(bNAbs),用来对抗病毒。

      近期发表在《实验医学杂志》上的一项研究中,努森茨威格和他的同事使用CRISPR-Cas9基因编辑技术对B细胞进行了修饰。B细胞是一种分泌抗体的白细胞。研究人员通过改造小鼠B细胞来制造人类自身的bNAbs。研究人员发现,以这种方式改变的细胞产生的抗体水平足以保护动物免受艾滋病毒感染,这意味着这项技术最终可能被用作免疫工具。

      虽然这项研究还处于早期阶段,但它证明了通过基因编辑增强免疫反应的可行性。重要的是,这项技术不影响生殖细胞,因此避免了CRISPR干预有时引发的伦理问题。如果能够实现,这种新的免疫方法不仅可以对艾滋病毒有效,还可以治疗任何对特定抗体敏感的疾病。

       

      ——CRISPR-Cas9筛选癌症治疗靶点

       

      功能基因组学可以克服癌症药物开发的局限,如缺乏确定可靠的靶点和临床疗效差。由Wellcome Sanger研究所的研究人员领导的研究小组利用CRISPR-Cas9技术,对来自30种癌症类型的324个人类癌细胞系进行了基因组的筛选。

      该小组将细胞适应性效应,与基因组生物标志物和药物开发的靶标易处理性相结合,以系统地遴选出特定组织中的新靶标和特定基因型。利用此方法,研究人员能够验证Werner综合征(又称白内障-硬皮病-早老综合征)的ATP依赖性解旋酶(WRN)作为多种癌症类型肿瘤的合成致死靶标,该靶标针对具有微卫星不稳定性的多种癌症类型。

      该项研究提供了癌症依赖情况的资源库,开发了筛选癌症药物目标的计算框架,并提出了具体的新靶标。该研究可以指导药物开发的初始阶段,为新的、多样化的和更有效的癌症药物靶标组合做出贡献。

       

      ——子宫内编辑治疗肺部疾病

       

      来自费城儿童医院(CHOP)和宾夕法尼亚医学的团队在动物模型中利用CRISPR基因编辑技术成功阻止了致命的肺病,在这种动物模型中,一种有害突变在出生后数小时内导致死亡。这项研究发表在“ 科学转化医学”杂志,该研究表明子宫内编辑可能是一种在出生前治疗肺病的有前景的新方法。

      该研究小组希望解决的肺部问题是先天性疾病,如表面活性蛋白缺乏、囊性纤维化和α-1抗胰蛋白酶等,其特征是出生时呼吸衰竭或慢性肺病,治疗方法很少。由于肺是一个与外界环境直接接触的屏障器官,靶向传递纠正缺陷基因是一种有吸引力的治疗方法。

      研究人员发现,在胎儿发育过程中,胎儿在子宫内将CRISPR基因编辑试剂准确地注入羊水,可以导致小鼠肺部发生有针对性的变化。他们在老鼠出生前4天将基因编辑器引入老鼠体内,这与人类的妊娠晚期相似。编辑百分比最高的细胞是肺泡上皮细胞和肺气道内的气道分泌细胞。

      该团队后续的研究将致力于提高肺上皮组织基因编辑的效率,以及评估将基因编辑技术传递给肺的不同机制。不同的基因编辑技术也在进一步的探索中,可能未来有一天能够纠正婴儿遗传性肺病中观察到的确切突变。

       

      基因编辑为何又频频被“泼冷水”

       

      虽然基因编辑技术仍在快速发展,却有很多根深蒂固的风险没有得到解决。其中最主要的就是”脱靶“的问题。

      最近,基因编辑技术在声名鼎盛时期被泼了冷水,迎来了它的噩梦。美国马萨诸塞州综合医院的J. Keith Joung领导的团队在最近的研究中发现,CRISPR-Cas碱基编辑技术可以在人类细胞中诱导转录组范围内的脱靶RNA编辑以及脱靶DNA编辑。

      研究发现具有rAPOBEC1(该酶诱导DNA胞嘧啶脱氨)的CBE(胞嘧啶碱基编辑器)可以在人类细胞中引起广泛的转录组范围的RNA胞嘧啶脱氨基,诱导数万个C-尿嘧啶(U)编辑,频率范围为0.07%至100%,范围是38%-58%表达的基因。CBE诱导的RNA编辑在蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列中发生,并产生错义,无义,剪接位点,5'UTR和3'UTR突变。另外,该研究设计了两种带有rAPOBEC1突变的CBE变体,这些变异显著降低了人类细胞中RNA编辑的数量(减少> 390倍和> 3800倍)。

      最后,研究人员显示最近描述的腺嘌呤碱基编辑器(ABE)也可以诱导转录组范围的RNA编辑。这些结果对碱基编辑的研究和治疗用途具有重要意义,说明了通过减少RNA编辑活动改造变异变体的可行性,并建议需要在碱基编辑器中更全面地定义和表征脱氨酶的RNA脱靶效应。该项研究表明人类治疗的安全性评估可能需要包括转录组RNA编辑的潜在功能后果的分析。

      由于该研究的发表,导致基因碱基领域的公司股票暴跌,目前张锋等人的Editas Medicine公司的股票暴跌,最多跌去每股2美元,共损失9818万美元(折合人民币6.59亿)。

      基因编辑技术未知的风险太大,科学家对在人体上直接进行基因编辑非常谨慎。前段时间,基因编辑婴儿事件一出,就引起了轩然大波。南方科技大学贺建奎为追逐个人名利,自筹资金,蓄意逃避监管,私自组织有关人员,实施国家明令禁止的以生殖为目的的人类胚胎基因编辑活动。

      早在基因编辑婴儿事件发生之前,霍金就曾预言未来可能出现一种经过 DNA 基因编辑的“超级人类”种族(Superhumans),这种“超人类”的寿命、智力及免疫力都比一般人强,如果情况发展得糟糕,这类由富人阶级组成的“超级人类”种族可能会毁灭整个人类种族。

      霍金曾说道,法律很可能会禁止人类基因工程编辑,但是有些禁不住诱huo的人类仍然会用该技术来改进自己的智能,比如记忆能力,抗衰老能力和延长生命。

       

      基因编辑技术能否峰回路转?

       

      最近发表在《科学进展》杂志上的科研成果中,来自南京大学、厦门大学和南京工业大学的科研人员开发出一种“基因剪刀”工具的新型非病毒载体,可以通过近红外光控制“修剪”基因的方式,实现体内时间和空间上的基因编辑可控,在癌症等重大疾病治疗方面具有广阔的应用前景。

      针对CRISPR-Cas9的脱靶效应,研发团队经过长达一年半的试验,研发出一种名叫“上转换纳米粒子”的非病毒载体,这种纳米粒子可以被细胞大量内吞,通过一种光敏化合物将CRISPR-Cas9锁定在上转换纳米粒子上。红外光具有强大的组织穿透性,这为在人体深层组织中安全、精准地应用基因编辑技术提供了可能。

      实验的触发装置就在于两种光——近红外光和紫外光。近红外光和紫外光具有特殊的性质,前者可以穿透人体组织到达目标位置,后者则可以实现切断光敏分子。暴露在近红外光下,这些纳米粒子吸收低能近红外辐射并将其转化为可见的紫外光,能够自动打开纳米粒子和Cas9蛋白之间的“锁”,使Cas9蛋白进入细胞核,从而实现对靶点基因精准敲除,诱发肿瘤细胞凋亡。

      该技术为非病毒载体在基因工程上的运用打开了另一扇门。一旦未来这项技术能够实现临床,肿瘤尤其是实体瘤就能实现无创治疗,帕金森症、糖尿病等患者也能从这项技术中受益。

       

      基因编辑技术未来将何去何从?

       

      基因编辑技术取得一个又一个突破后,又因其技术上存在的潜在风险而饱受争议。未来基因编辑技术又该何去何从呢?我们能否合理的利用这把“上帝赐予的手术刀”呢?

      看到这里,您对基因编辑技术的发展有何见解呢?欢迎大家留言,我们来共同探讨基因编辑技术的前景。

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