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突破性进展!Cell:不切割DNA的CRISPR技术,可治疗多种疾病

2017/12/09 来源:生物探索
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导读
这是CRISPR领域的又一项突破性进展!最新发表在Cell杂志上的一篇论文描述了一种“无需切割DNA双链,通过激活基因表达”来实现基因组编辑的新CRISPR技术。更令人振奋的是,研究证实,这一新技术能够在小鼠中被用于治疗多种不同的疾病,有望绕过现有基因编辑技术治疗人类疾病的主要障碍。


Credit: © vchalup / Fotolia

目前,科学家们对基因编辑技术,尤其是CRISPR-Cas9技术的大部分“热情”是集中在开发它们用于“插入或删除基因以及修复致病突变”。但CRISPR-Cas9技术(通常通过切断DNA双链发挥作用)存在的一个主要问题是,在某些时候,会留下新的突变,带来不确定的副作用。

12月7日,在线发表于Cell上的这项研究中,来自Salk生物学研究所的科学家们报道了一种“修改版”的CRISPR-Cas9技术——它的功能是改变疾病相关基因(disease-associated genes)的活性,而不是改变基因的序列。


Juan Carlos Izpisua Belmonte教授(图片来源:以下视频)

论文的通讯作者Juan Carlos Izpisua Belmonte教授说:“切割DNA会带来引入新突变的机会,可能会出现有害的错误——这是遗传学领域的一个重要瓶颈。”

为了避免引发这种有害的错误,Belmonte教授的实验室开发出了无需切割DNA的新CRISPR-Cas9系统。这一成果首次提供了证据证明,利用“表观遗传编辑技术”(epigenetic editing technology)能够改变动物的表型,并保持DNA完整性。

不切割DNA的CRISPR技术

推荐大家看一下这个有(dou)趣(bi)的视频。(视频地址:https://v.qq.com/x/page/s0516n7euwf.html)

具体来说,为了实现“表观遗传编辑”,科学家们使用了2个腺相关病毒adeno-associated viruses,AAVs)作为载体。在其中一个AAV中,研究人员插入了表达Cas9酶的基因;同时,他们利用另一个AAV引入了短sgRNAsingle guide RNA,指定了Cas9结合在小鼠基因组中的精确位置以及一个转录激活剂transcriptional activator)。

与先前大多数CRISPR-Cas9技术使用的由20个核苷酸组成的sgRNA相比,这一新技术中使用的“短sgRNA”只有14或15个核苷酸。研究人员表示,正是这一改变阻止了Cas9切割DNA。他们使用这种修改版的sgRNA来让转录激活剂与Cas9酶一起工作。


利用传统的CRISPR-Cas9技术时,研究人员首先需要构建一个sgRNA。sgRNA中包含一段与目标DNA匹配的序列,被附着在Cas9酶上。将Cas9-sgRNA复合物引入到目标细胞后,sgRNA会找到与其匹配的DNA序列,然后,Cas9酶结合目标DNA序列,切断双链。(图片来源:网络)

治疗多种不同疾病

论文的共同第一作者Fumiyuki Hatanaka解释道:“我们希望在不切割DNA的前提下改变细胞的命运,并产生治疗效果。”

而在这一研究中,新CRISPR技术在多种疾病小鼠模型中实现了“疾病逆转”。具体来说,1)在急性肾脏疾病小鼠模型中,该技术激活了先前受损或沉默的基因,恢复了正常的肾功能;2)同时,借助该技术还能够诱导一些肝细胞分化成胰腺β样细胞(pancreatic beta-like cells,作用是产生胰岛素),部分挽救了1型糖尿病小鼠模型;3)此外,该技术还恢复了肌肉萎缩症小鼠模型的肌肉生长和功能。值得一提的是,研究人员并没有试图纠正与这一疾病相关的突变基因,而是增加了在相同通路中基因的表达。


图片来源:以上视频

Belmonte教授强调:“我们并没有修复基因,突变依然存在。相反,我们是在表观基因组(epigenome)上做工作。我们的技术使相同通路中的其他基因表达得以恢复,这足以恢复这些突变小鼠的肌肉功能。”

对于这些成果,Hatanaka表示:“当我们看到这些小鼠中的结果时,我们是非常兴奋的。这表明,我们不仅借助该技术诱导了基因激活,同时,还引发了小鼠的生理学变化。”

未来潜在治疗前景

这些初步的数据表明,新CRISPR技术是安全的,不会产生不想要的基因突变。不过,科学家们表示,在将这一技术带向临床前,他们将做更多的研究,以确保它的安全性、实用性和有效性。

Belmonte教授认为,这项技术有望成为治疗神经系统疾病如阿尔茨海默症、帕金森病)的一种方法。就像该技术在小鼠模型中恢复了肾脏、肌肉和胰岛素生产功能一样,他看到了一个让神经元重新焕发活力的未来,甚至,有一天可能也会在人类患者中实现这一愿望。同时,这一技术还有望用于逆转衰老及相关疾病,如听力损失、黄斑变性。

参考资料:

CRISPR-Cas9 technique targeting epigenetics reverses disease in mice

Salk scientists modify CRISPR to epigenetically treat diabetes, kidney disease, muscular dystrophy

In Vivo Target Gene Activation via CRISPR/Cas9-Mediated Trans-epigenetic Modulation

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