盘点：基因编辑新突破，或许基因编辑技术才刚刚开始
2017-02-27 MedSci MedSci原创
日前，科学家已经开发出一种新的方法来修复遗传性免疫缺陷病症——X 连锁慢性肉芽肿病（X-CGD）患者造血干细胞中的缺陷基因。科学家将修复的干细胞移植到小鼠体内，这些干细胞会发育成具有正常功能的白细胞，这也证明可以使用这一方法治疗患有 X-CGD 疾病的患者。科学家计划进行下一步的研究，最终目标是希望将这一方法用于 X-CGD 患者的临床治疗之中。与此同时，他们还表示这种基因编辑方法也适用于由单
日前，科学家已经开发出一种新的方法来修复遗传性免疫缺陷病症——X 连锁慢性肉芽肿病（X-CGD）患者造血干细胞中的缺陷基因。科学家将修复的干细胞移植到小鼠体内，这些干细胞会发育成具有正常功能的白细胞，这也证明可以使用这一方法治疗患有 X-CGD 疾病的患者。
科学家计划进行下一步的研究，最终目标是希望将这一方法用于 X-CGD 患者的临床治疗之中。与此同时，他们还表示这种基因编辑方法也适用于由单基因突变引起的其他血液疾病，例如镰刀形红细胞贫血症。
除了这项基因编辑在遗传性免疫缺陷病症的新突破，还有哪些新的突破，梅斯小编为您一一盘点。
科学家已经开发出一种新的方法来修复遗传性免疫缺陷病症——X 连锁慢性肉芽肿病（X-CGD）患者造血干细胞中的缺陷基因。科学家将修复的干细胞移植到小鼠体内，这些干细胞会发育成具有正常功能的白细胞，这也证明可以使用这一方法治疗患有 X-CGD 疾病的患者。
研究人员从两个患者体内分离出造血干细胞，并使用基因编辑技术 CRISPR-Cas9 对这种突变基因进行靶向和修复。这种靶向基因修复方法能够将有缺陷的 CYBB 基因序列恢复到正常人的序列，难以分辨校正基因与正常基因。在此过程中，研究人员并未检测到 CRISPR-Cas9 基因编辑技术产生任何意料之外的影响。相比较之下，恢复突变基因功能的其他方法通常会导致另外的一些变化，包括遗传物质添加或丢失等。
研究人员又将 X-CGD 患者修复后的干细胞移植到免疫缺陷小鼠体内，发现这些干细胞并未产生不良反应，并能分化成白细胞，生成功能性 NOX2 长达五个月之久。这一研究发表在《Science Translational Medicine》，作者指出虽然他们还需要进一步的研究，但目前已经能够提供一种理论论证，证明这种基因编辑方法可以修复由一些小病引起的造血干细胞基因突变。
科学家计划进行下一步的研究，最终目标是希望将这一方法用于 X-CGD 患者的临床治疗之中。与此同时，他们还表示这种基因编辑方法也适用于由单基因突变引起的其他血液疾病，例如镰刀形红细胞贫血症。
最近，中国科研人员发表了一项有关人类胚胎基因编辑方面的研究，让全球科学家的神经再一次被挑动。该研究由广州医科大学附属第三医院范勇领导的研究团队完成。虽然论文发表在一般人不熟悉、影响因子不超过2的学术杂志——《辅助生殖与遗传学期刊》（Journal of Assisted Reproduction and Genetics）上，但却引来国际顶级学术期刊以及媒体的关注，如Nature、Science、MIT Technology Review等。
根据研究者介绍，他们进行此项研究的目的是对CRISPR技术在早期人类胚胎的精准基因编辑方面的应用进行评估并制定原则，从而为未来遗传性疾病的治疗提供了可能。
从2014年4月至9月，研究者从87名志愿者那里收集了213枚三原核受精卵，即原本不能正常发育的人类胚胎细胞。研究者通过基因编辑技术CRISPR，对这些受精卵中的基因ccr5进行编辑，结果发现26个人体胚胎细胞中，仅有4个细胞的基因成功被修饰，基因编辑的脱靶问题突出，表明该技术存在大量瓶颈。此次实验的所有胚胎在三天后均被销毁。研究者之所以选择该基因，是因为部分人群如果携带有ccr5突变基因，那么他们则拥有抵抗HIV病毒的能力，该突变基因能改变CCR5蛋白，使其能够阻止HIV病毒对人体免疫细胞的入侵。
如同去年中山大学出现的全球首个人类胚胎细胞基因修饰的研究一样，这项研究一经发表，就引起Nature等权威学术杂志的关注。只不过经历了去年一年的激烈讨论之后，研究者以及公众现在更加理性地看待此类研究。
英国《自然》杂志21日发表一项生物学进展，报告了两种新型的CRISPR/Cas基因编辑系统。
CRISPR被称为“生物科学领域的游戏规则改变者”，现已发展成为该领域最炙手可热的研究工具之一。以往研究表明，通过介入，CRISPR能使基因组更有效地产生变化或突变，效率比既往基因编辑技术更高。现在，生物学家们正致力于用CRISPR探究治疗人类遗传疾病的方法，而这种突破性的技术就是通过一种名叫Cas9的特殊编程的酶发现、切除并取代DNA的特定部分。它来源于细菌，在细菌内帮助抵抗入侵的病毒。目前的系统都是来自人工培育的细菌，而大量未培养的原核生物也成为替代性基因编辑工具的潜在来源。
此次，美国加州大学伯克利分校研究人员吉利安·本菲尔德及其同事，分析了上万新改造的基因组，这些基因组来自在地下水、土壤、婴儿肠道和其他各种环境中发现的微生物群落，结果研究人员发现了两种新型CRISPR/Cas系统，他们将其分别称为CRISPR/CasX和CRISPR/CasY。随后，这两种系统在CRISPR/Cas9系统的发现者之一詹妮弗·杜德纳的实验室接受了检测，其活性得到证实。
新型CRISPR/Cas系统将作为一种基因组编辑工具，被研究人员广泛用于精准添加、删除或修改DNA片段。在CRISPR-Cas中的Cas，指的是在预定位置剪切双链DNA的DNA剪切酶。在最新的研究中，论文作者还报告了在古菌域首次发现Cas9，这一点尤为引人关注，因为过去认为，缺乏细胞核的原核生物都是没有此类系统的。
在一项新的研究中，来自加拿大西安大略大学的研究人员利用分子乐高（molecular-Lego），将一种工程酶加入到革命性的新的基因编辑工具CRISPR/Cas9中。他们的研究表明在靶向基因组中的基因中，加入这种酶会使得基因编辑更加高效和潜在地更具特异性。相关研究结果于2016年12月8日在线发表在PNAS期刊上，论文标题为“Biasing genome-editing events toward precise length deletions with an RNA-guided TevCas9 dual nuclease”。
论文通信作者、西安大略大学舒力克医学与牙科学院副教授David Edgell说，“CRISPR的问题在于它会切割DNA，但是随后DNA修复会移除这种切口，并且将它粘贴在一起。这意味着它再生这个CRISPR试图靶向的位点，从而产生一种无效的循环。我们加入这种工程酶的新颖性在于它阻止这种再生发生。”
研究人员证实构建一种被称作TevCas9的酶会使得DNA修复更难再生这个切割位点，其中TevCas9是在两个位点而不是在单个位点切割DNA。他们是通过将一种被称作I-Tevl的酶加入到核酸酶Cas9上而构建出TevCas9的。在基因编辑工具CRISPR/Cas9中，Cas9是一种典型的用于切割DNA的酶。
这项研究也表明加入I-Tevl有望更加特异性地靶向基因，而且更不可能在基因组上产生脱靶效应，其中脱靶效应是任何潜在治疗应用的一个重大的问题。
论文共同作者、西安大略大学舒力克医学与牙科学院副教授Caroline Schild-Poulter说，“因为存在两个切割位点，所以相比于仅仅一个位点，这两个位点更不可能在基因组中随机地发生。这仍然有待进行测试，但是这是希望和期待。”
CRISPR/Cas9基因组编辑正在迅速改变生物医学研究，但新技术尚未确切。该技术可以无意中在基因组中产生过多或不需要的改变，并产生非靶标基因突变，限制了在治疗应用中的安全性和功效。 现在，Cell发表的一项新研究，马萨诸塞医学院和多伦多大学的研究人员发现了CRISPR/Cas9活性的第一个已知的“关闭开关”，为编辑提供了更大的可控性。
马萨诸塞医学院RNA治疗学院教授Erik J. Sontheimer博士，分子遗传学教授Alan Davidson和多伦多大学生物化学助理教授Karen Maxwell博士鉴定了三种天然产生抑制Cas9酶的蛋白质。这些蛋白质称为抗-CRISPR，具有阻断Cas9核酸酶的DNA切割的能力。
CRISPR/Cas9是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御，可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。它由两个部分组成：分子刀（Cas9），其有效地切割DNA，但在其天然状态下是闭锁的；RNA导向复合物，找到碱基互补的基因序列时解锁Cas9，从而确定精确的切割位点。这些向导RNA由CRISPR“聚集的规则间隔的短回文重复序列”或CRISPR阵列产生，其含有过去病毒感染的基因组的残余物。通过Cas9核酸酶靶向切割和灭活这些病毒，CRISPR / Cas9为细菌细胞提供适应性免疫防御。
科学家可以用人工向导RNA改编CRISPR/Cas9，可以在哺乳动物基因组内切割序列，并且能够将新的基因片段精确插入到细胞中。一种简单而有效的编辑基因组的方法，CRISPR / Cas9正在改变生物医学研究，使其更容易灭活或编辑细胞系中的基因进行研究。它还简化了可用于研究人类疾病的动物疾病模型的创建。过去需要几个月或几年的工作现在可以在几个星期内完成。
Sontheimer表示，在Cell上发表的新文章，不仅鉴定了Cas9的“关闭开关”，而且它也表示Cas9抑制剂天然存在，可以被鉴定和充分利用。不同的细菌产生不同形式的Cas9，不同的Cas9可以在基因组编辑中各有不同的有用性质，所以在工具箱中已经有几个Cas9，当然还会有更多，我们现在已经证明这种抑制剂在自然界中存在，并且提供了一个可能的策略来找到它们。
在一项新的研究中，来自美国沙克研究所的研究人员发现基因编辑的圣杯---首次能够在基因组的靶位点上将DNA插入到非分裂细胞（non-dividing cell）中，其中非分裂细胞占成年器官和组织中的大多数。他们证实这种技术能够部分恢复失明的啮齿类动物的视觉反应。它将为基础研究和多种治疗视网膜疾病、心脏疾病和神经疾病等疾病的方法打开新的途径。相关研究结果于2016年11月16日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration”。
研究人员瞄准一种被称作非同源末端连接（non-homologous end-joining, NHEJ）的DNA修复细胞通路，其中NHEJ通过将发生常规断裂的DNA链末端重新连接在一起对断裂的DNA进行修复。他们将这个过程与现存的基因编辑技术组合使用，从而成功地将新的DNA插入到非分裂细胞中的精确位点上。
论文共同第一作者、Izpisua Belmonte实验室资深研究员Keiichiro Suzuki说，“就对活的成年有机体的基因组进行基因编辑而言，利用这种NHEJ通路插入全新的DNA是革命性的。在此之前，没有人做到这一点。”
首次，研究人员对NHEJ通路进行优化，以便与CRISPR-Cas9进行组合使用，从而允许将DNA导入到基因组中非常准确的位点上。研究人员构建出一种定制的由一种核酸混合物组成的被称作同源非依赖性靶向整合（homology-independent targeted integration, HITI）的插入工具。他们随后利用一种惰性病毒将HITI携带的遗传指令运送到由人胚胎干细胞产生的神经元中。
基于获得的这种成就，研究人员随后成功地将这种遗传指令运送到成年小鼠的大脑中。最终，为了探究将HITI用于基因替换疗法中的可能性，他们在患有视网膜色素变性---一种遗传性的视网膜退化疾病，可导致人失明---的模式大鼠体内测试了这种技术。在这次，研究人员利用HITI将一种功能性的Mertk基因拷贝运送到3周大的大鼠的眼睛中，其中Mertk是在视网膜色素变性中受到损伤的一种基因。当这些大鼠在8周大时，对它们的分析结果表明它们能够对光线作出反应，而且几项测试的结果表明它们的视网膜细胞发生愈合。
最近，美国耶鲁大学带领的一个研究小组，使用一种新的基因编辑策略，纠正了导致地中海贫血（一种贫血症）的突变。研究人员说，他们的基因编辑技术在小鼠中纠正了致病突变，并减轻了小鼠的疾病。这一发现可能会促使人们研究类似的基因治疗，来治疗遗传性血液病患者。相关研究结果发表在10月26日的《Nature Communications》。
这个跨学科研究小组发现了来自骨髓的一种蛋白质，它具有激活干细胞的能力，干细胞是对基因编辑最敏感的细胞。他们将蛋白质与合成分子（被称为PNAs）相结合，PNAs可模仿DNA并结合到靶基因形成三螺旋。这触发了细胞自身的修复过程来修复致病突变。
该研究小组利用生物医学工程教授Mark Saltzman实验室开发的纳米粒子，将PNAs运送到小鼠体内的靶突变。最后一步是使用一个静脉注射，来传递基因编辑包。研究人员发现，这项技术能够将突变纠正到这样一种程度，即，小鼠不再有地中海贫血的症状。140天后，他们测试了动物的血红蛋白水平，发现它们是正常的。
此外，由于研究团队利用化学反应所产生的微小DNA片段，因此这种技术避免了其他技术的意外结果，像CRISPR一样，当它们改变基因组时可能会引起副作用。Glazer说：“我们证明，我们有着非常低的脱靶效应。”
如果该策略在临床研究中被证明是有效的，它就可能为地中海贫血、镰状细胞病和其他遗传性血液病患者带来新的基因疗法。他说：“我们可以让足够多的细胞得以修正，个体再没有患上贫血症。我们可以实现对症治疗。”
基因编辑系统CRISPR可以帮助科学家剔除或替代活细胞中的任何靶向基因，近日来自MIT的科学家们通过研究制造了一种对光产生反应的特殊系统，该系统可以有效控制基因编辑发生的时间和地点，相关研究刊登于国际杂志Angewandte Chemie International Edition上。在这种新型系统的帮助下，只要当研究者将紫外线照射于靶向细胞上，该细胞中就会发生基因编辑，这或许就可以帮助研究者更加清楚地解析影响胚胎发育或疾病进展的细胞和遗传事件了，同时还可以提供一种靶向性的策略来关闭肿瘤细胞中的促癌基因。
这项研究中，研究者利用光来控制对绿色荧光蛋白（GFP）基因的编辑，同时研究者还实现了对细胞表面编码蛋白的两种基因及在某些癌症中过度表达的基因编辑过程的控制；研究者Bhatia说道，如果这真的是一种可规划方案的话，我们就应当设计出保护性的序列来抵御靶向序列，我们已经设计了能够抵御不同基因的保护装置，而且还发现这些保护装置可以被光控制激活表达；此外在多种实验中，当利用混合的保护装置时，在光暴露后“裂开”的唯一靶点就可以被保护起来。
在合适的时间对基因编辑进行精确的控制可以帮助科学家研究参与疾病进展的细胞事件，从而就能够确定何时关闭基因表达才是最佳的干预时间；CRISPR-Cas9是研究者用来研究基因如何影响细胞行为的一种强大的基因编辑工具，这项技术进步奖帮助研究者实现对多种遗传改变的精确控制，因此本文研究或将为多个研究团体提供一种有用的工具来改善当前的基因编辑领域的研究。
如今研究者Bhatia的实验室正在寻找基于该技术的医学应用，其中一种可能性就是利用这种技术来关闭参与皮肤癌发病的癌变基因的表达，而且这些癌变基因也是一种非常好的靶点，因为皮肤可以很容易地暴露于紫外光下。研究小组目前正在开发一种通用的保护装置，其可以与任何RNA导向链相互配合使用，从而就消除了设计新型RNA序列的需要，同时也能够立刻抑制CRISPR-Cas9对许多靶点的切割编辑。
小提示：本篇资讯需要登录阅读，点击跳转登录
版权声明：
本网站所有内容来源注明为“梅斯医学”或“MedSci原创”的文字、图片和音视频资料，版权均属于梅斯医学所有。非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，授权转载时须注明来源为“梅斯医学”。其它来源的文章系转载文章，或“梅斯号”自媒体发布的文章，仅系出于传递更多信息之目的，本站仅负责审核内容合规，其内容不代表本站立场，本站不负责内容的准确性和版权。如果存在侵权、或不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
在此留言
本网站所有内容来源注明为“梅斯医学”或“MedSci原创”的文字、图片和音视频资料，版权均属于梅斯医学所有。非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，授权转载时须注明来源为“梅斯医学”。其它来源的文章系转载文章，或“梅斯号”自媒体发布的文章，仅系出于传递更多信息之目的，本站仅负责审核内容合规，其内容不代表本站立场，本站不负责内容的准确性和版权。如果存在侵权、或不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
在此留言
#新突破#
34
#基因编辑技术#
32