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在一項新的研究中，來自美國沙克生物研究所的研究人員開發(fā)出CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)的一種新版本，從而允許他們激活靶基因，同時不會導(dǎo)致DNA斷裂，這就潛在地克服了利用基因編輯技術(shù)治療人類疾病的一個重大的障礙。相關(guān)研究結(jié)果于2017年12月7日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“In Vivo Target Gene Activation via CRISPR/Cas9-Mediated Trans-epigenetic Modulation”。
圖片來自Salk Institute。
大多數(shù)CRISPR/Cas9系統(tǒng)會在靶向編輯或刪除的基因組區(qū)域中產(chǎn)生“雙鏈斷裂（double-strand break, DSB）”，但是很多人反對在活人的DNA中產(chǎn)生這樣的雙鏈斷裂。作為一項概念驗證研究，這些研究人員在小鼠模型中利用他們的新方法來治療包括糖尿病、急性shen病和肌肉萎縮癥在內(nèi)的幾種疾病。
論文通信作者、沙克生物研究所基因表達(dá)實驗室教授Juan Carlos Izpisua Belmonte說，“盡管許多研究已證實CRISPR/Cas9能夠作為一種強有力的工具用于基因治療，但是人們越來越擔(dān)心這種技術(shù)產(chǎn)生的雙鏈斷裂會產(chǎn)生不想要的突變。我們能夠解決這個問題。”
在初始的CRISPR/Cas9系統(tǒng)中，酶Cas9與指導(dǎo)它靶向到基因組中合適位點上的向?qū)NA（gRNA）結(jié)合在一起，從而在DNA上產(chǎn)生雙鏈斷裂。近期，一些人開始使用Cas9的“死亡”形式（即dCas9）：仍然能夠靶向基因組中的特定位點，但是不再切割DNA。相反，dCas9與激活靶基因的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（transcriptional activation domain, TAD，起著分子開關(guān)的作用）結(jié)合在一起。但是由此產(chǎn)生的蛋白---dCas9-TAD---塊頭太大而不適合被包裝到通常用于運送編碼這些蛋白的基因到活體細(xì)胞內(nèi)的腺相關(guān)病毒（AAV）載體中。缺乏一種的運送系統(tǒng)使得很難在臨床應(yīng)用中使用這種工具。
Izpisua Belmonte團隊將Cas9/dCas9與一系列不同的TAD結(jié)合在一起以便發(fā)現(xiàn)一種即便這些蛋白不融合在一起時也能夠發(fā)揮作用的組合。換言之，將Cas9或dCas9包裝到一種AVV載體中，將TAD和gRNA包裝到另一種AAV載體中。他們還對gRNA進(jìn)行優(yōu)化以便確保所有的這些組分zui終出現(xiàn)在基因組的合適位點上，而且靶基因受到強烈地激活。
論文共同*作者、Izpisua Belmonte實驗室研究員Hsin-Kai (Ken) Liao說，“這些組分一起都在有機體中發(fā)揮作用，從而影響內(nèi)源性基因。”這種新方法以這種方式在表觀遺傳學(xué)上發(fā)揮作用，這意味著它影響基因活性，但不改變DNA序列。
為了驗證這種方法，這些研究人員使用了急性腎損傷、1型糖尿病和一種肌肉萎縮癥的小鼠模型。在每種小鼠模型中，他們設(shè)計出他們的CRISPR/Cas9系統(tǒng)來增強可能潛在地逆轉(zhuǎn)疾病癥狀的內(nèi)源性基因的表達(dá)。就急性shen病而言，他們激活兩個已知參與腎臟功能的基因，并觀察到不僅這些基因表達(dá)的蛋白水平發(fā)生增加，而且這會改善急性腎臟損傷發(fā)生之后的腎臟功能。就1型糖尿病而言，他們旨在增強能夠產(chǎn)生β細(xì)胞（即一種分泌胰島素的細(xì)胞）的基因的活性。這種新方法又一次發(fā)揮作用，成功地降低1型糖尿病小鼠模型中的血糖水平。就肌肉萎縮癥而言，他們讓之前已經(jīng)證實逆轉(zhuǎn)疾病癥狀的基因表達(dá)，包括不能夠很容易地通過傳統(tǒng)的病毒介導(dǎo)的基因療法加以運送的一個特別大的基因。
論文共同*作者、Izpisua Belmonte實驗室研究員Fumiyuki Hatanaka補充道，“當(dāng)我們看到小鼠的研究結(jié)果時，我們感到非常地激動人心。我們能夠誘導(dǎo)基因激活，并且同時觀察到生理變化。”
如今，Izpisua Belmonte團隊正在努力改善他們的CRISPR/Cas9系統(tǒng)的特異性，并且將它應(yīng)用于更多的細(xì)胞類型和器官中，以便治療更多的人類疾病，以及讓特定的器官恢復(fù)青春，并逆轉(zhuǎn)衰老過程和年齡相關(guān)的癥狀，如聽力下降和黃斑變性。他們說，在開展人體臨床試驗之前，還將需要進(jìn)行更多的安全性測試。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Hsin-Kai Liao, Fumiyuki Hatanaka, Toshikazu Araoka et al. In Vivo Target Gene Activation via CRISPR/Cas9-Mediated Trans-epigenetic Modulation. Cell, Published online: 7 Dec 2017, doi:10.1016/j.cell.2017.10.025
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