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科技日报:基因编辑技术 “哪家强”

2016/05/13 来源:科技日报
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导读
与以前效率低下的DNA编辑方法相比,基因组编辑工具CRISPR/Cas9提供了一条捷径。它就像一个DNA剪刀手,剪开特定RNA序列指向的地方,开启细胞DNA的修复过程。

5月2日,《自然》系列顶尖刊物《自然生物技术》在线发表了一项关于基因编辑技术的研究成果,这项成果出自河北科技大学一位名不见经传的副教授韩春雨和他的团队。

图为韩春雨(右)与其合作者沈啸(左)、高峰(中)。

与以前效率低下的DNA编辑方法相比,基因组编辑工具CRISPR/Cas9提供了一条捷径。它就像一个DNA剪刀手,剪开特定RNA序列指向的地方,开启细胞DNA的修复过程。

5月2日,《自然》系列顶尖刊物《自然生物技术》(《Nature Biotechnology》)在线发表了一项关于基因编辑技术的研究成果,并被评价为“具有带来技术和产业变化的潜能”。这项成果不是来自麻省理工,也不是来自哈佛、斯坦福,而是出自河北科技大学一位名不见经传的副教授韩春雨和他的团队。

“该成果属于‘中国创造’的尖端生物技术,不仅打破了外国基因编辑技术的专利垄断,而且还有自己的特点和优势,研究水平可与国际一流大学同领域教授的工作相媲美。”中国科学院动物研究所研究员李伟博士认为,韩春雨创造的这一基因修饰新技术,未来的应用前景非常明确也非常广阔。

“但是作为一种新的工具,可能还需要在应用的过程中不断的去完善去打磨。” 李伟说,“就像切肉一样,一开始我们拿砍刀去切,后来发现还能把刀做的更加精细,更加小巧,这样可以切出更好的效果来。”

横空出世的DNA剪刀

长期以来,科学家们只能通过物理和化学诱变、同源重组等方式对DNA进行编辑。但这些方法都不够方便和精确,直到2012年, CRISPR/Cas9让科学家们看到了希望

对于这项轰动了中国生物界的研究成果,韩春雨所在单位——河北科技大学5月6日在其官网上贴出如是介绍:“该研究成果找到了对基因组位点编辑范围更广的基因编辑工具。该工具完全不同于以RNA为向导的CRISPR/Cas9基因编辑技术:这种从古细菌来源的Argonaute(简称NgAgo),利用短链DNA作向导,真正实现了对基因组的任意位置进行切割,将基因编辑的可能性推入了更广泛的境地。”

自从科学家发现生命的遗传密码主要存在于DNA双螺旋结构以来,人类就开始幻想着能通过一些基因编辑技术,对DNA核苷酸序列进行删除和插入等操作。

“换句话说,人们想要通过基因编辑技术来改写DNA这本‘生命的无字天书’,就像用电脑编辑一篇word文件,可以利用鼠标和键盘等手段进行编辑。”李伟说。然而长期以来,科学家们只能通过物理和化学诱变、同源重组等方式对DNA进行编辑。但这些方法都不够方便和精确。直到2012年,一种名为“CRISPR/Cas9”的DNA剪切技术横空出世,让科学家们看到了希望。

CRISPR被称作“规律间隔成簇短回文重复序列”,是在一些细菌基因组内存在的一系列成簇排列的DNA序列,是源于细菌及古细菌中的一种后天免疫系统。科学家们发现,这些重复序列和很多能够侵入细菌的噬菌体的DNA序列相同。

进一步研究发现,这些序列在被转录成为RNA后,能够和细菌产生的一类称为CRISPR关联蛋白Cas9的蛋白质形成复合体,起到导向作用,因此这段RNA也被称为导向RNA。当复合体检测到入侵的DNA和导向RNA序列一致时,Cas9蛋白就能够切割入侵的DNA,结合细菌沉默病毒等入侵者的遗传信息的关键部分,达到防御病毒等目的。

CRISPR展现“惊人实力”

它就像一个DNA剪刀手,剪开特定RNA序列指向的地方,开启细胞DNA的修复过程,由于Cas9系统优异的指向性和特定性,一问世就获得了科学家们的青睐

与以前效率低下的DNA编辑方法相比,新出现的基因组编辑工具CRISPR/Cas9提供了一条捷径。它就像一个DNA剪刀手,剪开特定RNA序列指向的地方,开启细胞DNA的修复过程。由于Cas9系统优异的指向性和特定性,一问世就获得了科学家们的青睐。

科学家们认为,CRISPR可能是自20世纪70年代生物技术时代开启以来出现的最重要的基因工程技术。CRISPR系统具有搜索和替换DNA的双重功能,可以让科学们通过替换碱基,轻松的改变DNA的功能。在过去的研究中,科学家们已经证实,利用CRISPR可以治疗小鼠的肌肉萎缩、罕见肝脏疾病,使人类细胞免疫HIV等惊人的功能。

2015年7月,一个韩国科学小组利用CRISPR RNA引导的工程核酸酶修复了两个频发的大的染色体倒位——它们导致了近一半的重症血友病A病例。这是第一次证实可以用可编程核酸酶纠正患者染色体倒位和其他大型的染色体重排。

复旦大学生命科学学院遗传工程国家重点实验室的研究人员,也通过CRISPR/Cas9技术进行特定基因敲除,快速、高效地构建了血友病乙模型小鼠,以期为血友病乙的研究提供更加便捷的途径。甚至还有研究者用CRISPR成功治疗了患有遗传性肝病和肌营养不良的动物。

令人担心的问题不止一个

CRISPR/Cas9系统自身也存在一些缺陷,比如进入细胞后,有可能在非目标位点进行酶切,从而导致脱靶,如此可能会引发癌症而非治愈癌症

随着对CRISPR/Cas9系统的研究深入,该技术现已广泛地应用于生物领域的各个方面,在动物基因功能和转基因动物研究等方面,提供了简易、实用的基因组定点编辑技术。

然而,CRISPR/Cas9系统自身也存在一些缺陷,比如进入细胞后,有可能在非目标位点进行酶切,从而导致脱靶,如此可能会引发癌症而非治愈癌症。

“CRISPR脱靶效应常被人们挂在嘴边,这也是该技术最大的隐患之一。但脱靶效应并不是CRISPR唯一令人担心的问题。”李伟透露,目前,研究者们往往只能借助病毒载体把编码Cas9的DNA带入细胞。也就是说,Cas9完成切割任务之后细胞仍会继续生产这种蛋白。这种情况下,就算是特异性非常高的Cas9也可能会发生脱靶,机体也可能会对其产生免疫反应。

“传统基因疗法面对的许多难题,也是CRISPR前进的障碍。比如,基因编辑的细胞会死亡,患者需要进行多次治疗。病毒载体的递送能力限制着基因编辑的效力。CRISPR研究者往往需要两种病毒载体将CRISPR组分送入细胞,大大降低了效率和成功率。”李伟说。

新工具的新亮点

在整个生物界基因编辑技术一枝独秀的情况下,韩春雨另辟蹊径,找到了一种全新的基因编辑工具NgAgo,为基因编辑应用提供了更好的技术和更加多样化的选择

NgAgo是Natronobacterium gregoryi Argonaute这一短语的简称。韩春雨团队就是利用格氏嗜盐碱杆菌(Natronobacterium gregoryi)的Argonaute蛋白实现了DNA引导的基因组编辑,并发现NgAgo作为一种DNA介导的核酸内切酶,适合在人体细胞中进行基因组编辑。简而言之,之前的方法是通过RNA寻找替换序列,而新技术通过DNA作为介导寻找替换目标。

“在需要编辑的基因组上,CRISPR/Cas9系统需要19个配对的碱基,并且这19个碱基后面必须紧邻一个特殊的碱基序列。”李伟介绍。

“Cas9的‘取材’范围有限,NgAgo的优势之一,就是大大扩充了基因编辑的取材范围。”韩春雨在接受媒体采访时表示,“在新技术帮助下,地球上大部分生物的基因都可成为基因编辑工具,这意味着基因编辑技术受限更小,便利性更大。”

此外,新的基因编辑工具精确性更高。李伟介绍,NgAgo要结合24个碱基,比Cas9结合的19个碱基要长5个碱基,理论上其精确性会提高1024倍。

“DNA编辑技术就相当于word中的‘查找’‘替换’工具,如果需要替换的是‘的’‘地’‘得’这种高频文字,那么有可能会把不需要替换的地方也替换了,但如果要找‘一种DNA介导的核酸内切酶’这样的词组,则不太可能找错。”李伟说。

韩春雨团队的研究发现,NgAgo–gDNA系统对向导序列-靶序列错配容忍度很低。目标DNA序列上任何一个碱基的变换都会降低NgAgo的切割效率,如有三个错配则会使其完全失活。这在另外一个机制上提高了NgAgo使用的精确性。

李伟认为,在整个生物界基因编辑技术一枝独秀的情况下,韩春雨另辟蹊径,找到了一种全新的基因编辑工具NgAgo,为基因编辑应用提供了更好的技术和更加多样化的选择。

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