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Nature Commu:大刀砍向HIV病毒——CRISPR系统初步成功应用

来源:生物谷 2015-03-11 13:16


2015年3月11日 讯 /生物谷BIOON/-- 想象一下,一个成分单一的药物,可以防止人类免疫缺陷病毒(HIV)感染,也能治疗已经感染艾滋病毒的患者,甚至能清除比HIV更厉害的病毒的所有休眠副本。这听起来像科幻小说,但已经有科学家们开始一步步接近于这个目标。他们通过定义和利用细菌和基因剪刀手CRISPR/Cas9系统,为细胞创造了一个新的防御系统。这篇研究成果,发表在最新的Nature Communications

当HIV病毒复制潜入人体细胞,它们就会导致混乱。它使用细胞本身的分子机制制成病毒遗传物质的副本,这些副本随后埋葬细胞自身的基因。从此之后,主体细胞变成一个HIV工厂,使得病毒大量复制,以遍布全身。现有的HIV药物主要瞄准这一生命周期中的各个步骤:比如说一些阻止病毒整合进入细胞的DNA,而另一些尝试包括停止受HIV影响的细胞生产更多的病毒。不过这些药物的问题在于它们不能真正删除那些隐藏在细胞的病毒DNA。这些病毒可以保持休眠状态数年之久,然后再次激活。所以病人通常需要每天或每周的使用药物来保障他们的生活,因为HIV可以潜伏。不过这样花费的金钱,时间和精力实在难以估量。

为了解决这一问题,美国加州La Sierra University的研究人员转向使用CRISPR细菌分子防御系统。细菌可以利用CRISPR系统删除基因中指定地点的外源DNA。最近科学家们已经开始使用CRISPR系统来编辑基因表达。这次研究人员针对的是用CRISPR/Cas9系统切开和破坏人体细胞病毒。

CRISPR/Cas9需要guideRNA来定位它的剪刀位置。科研人员设计了针对HIV病毒guideRNA序列。他们将系统传递进入已经感染了HIV的免疫细胞,发现CRISPR/Cas9系统成功能在设计的位置将HIV基因剪断,并灭活了病毒。这导致了该病毒从72%的感染细胞中完全消失。CRISPR/Cas9系统不仅在最初被感染的细胞中去除了病毒的松散副本,它也同时削减了隐藏在细胞DNA内的处于休眠状态的HIV副本。随后研究人员在多能干细胞内表达了这个CRISPR/Cas9系统,经过工程改造过的干细胞不仅能够稳定的表达靶向HIV的CRISPR / Cas9,高效地分化为HIV reservoir细胞类型,重要的是能够维持对HIV挑战的抵抗,不被感染。

虽然也有其他研究小组采取了类似的办法针对HIV病毒,不过研究人员表示他们的方法能有效打击活跃,全长度的HIV而不是只针对缩短,非活跃的病毒版本。

这一技术的主要优点不仅是消除整合到人基因组病毒DNA,最重要的是,能够预防应用。通过消除处于生命周期早期的病毒,我们或许可以像常规疫苗类似的方式完全防止人细胞对HIV的感染。不过,我们还需要更多的研究来确定如何应用该技术于人类患者;HIV病毒是否会迅速变异,逃避CRISPR系统。考虑到这一点,该团队正在研究增加更多的guideRNA和CRISPR的组合,使得能同时识别病毒的多个DNA位点,增强剪切的有效性。(生物谷Bioon.com)

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doi:10.1038/ncomms7413
PMC:
PMID:

Use of the CRISPR/?Cas9 system as an intracellular defense against HIV-1 infection in human cells
Hsin-Kai Liao, Ying Gu,Arturo Diaz,John Marlett,Yuta Takahashi,Mo Li,Keiichiro Suzuki, Ruo Xu,Tomoaki Hishida,Chan-Jung Chang,Concepcion Rodriguez Esteban,John Young & Juan Carlos Izpisua Belmonte

Abstract
To combat hostile viruses, bacteria and archaea have evolved a unique antiviral defense system composed of clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs), together with CRISPR-associated genes (Cas). The CRISPR/?Cas9 system develops an adaptive immune resistance to foreign plasmids and viruses by creating site-specific DNA double-stranded breaks (DSBs). Here we adapt the CRISPR/?Cas9 system to human cells for intracellular defense against foreign DNA and viruses. Using HIV-1 infection as a model, our results demonstrate that the CRISPR/?Cas9 system disrupts latently integrated viral genome and provides long-term adaptive defense against new viral infection, expression and replication in human cells. We show that engineered human-induced pluripotent stem cells stably expressing HIV-targeted CRISPR/?Cas9 can be efficiently differentiated into HIV reservoir cell types and maintain their resistance to HIV-1 challenge. These results unveil the potential of the CRISPR/?Cas9 system as a new therapeutic strategy against viral infections.

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