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解读近期基因编辑研究领域的重磅级成果

来源:本站原创 2017-08-27 14:18

近年来,基因编辑在多个研究领域表现出了巨大的应用潜力,比如在治疗遗传性疾病、癌症以及HIV等多种疾病上,那么科学家们在基因编辑研究中都取得了哪些亮点成果呢?本文中,小编对相关研究报告进行了整理,分享给各位!

【1】Nature:国家基因库参与人类胚胎基因编辑研究

8月3日,由俄勒冈健康与科学大学、韩国基础科学研究院、美国Salk生物学研究所和深圳国家基因库合成与编辑平台合作完成的人类胚胎基因编辑最新重量级研究成果发表于《自然》杂志。在中国、美国、韩国的国际合作组的通力协作下,科学家第一次成功的利用CRISPR-Cas9系统在人类早期胚胎中对导致肥厚型心肌病的基因突变进行了安全修复。

肥厚型心肌病(Hypertrophic cardiomyopathy,HCM),是以心室肌肥厚为突出特征的原发性心肌病,患病率约为 1/500,是一种全球性疾病,也是青壮年运动员猝死的主要原因之一。多数的肥厚型心肌病均由基因突变导致,MYBPC3基因突变是最为常见的遗传突变。利用基因编辑技术在胚胎中修复MYBPC3致病突变,为从根本上治愈该种家族性遗传疾病带来了希望。

在得到伦理许可的基础之上,此项目研究人员使用正常人的卵子和携带MYBPC3杂合致病突变的精子体外受精产生受精卵,在早期胚胎发育阶段运用CRISPR-Cas9编辑策略对致病突变进行修复。结果证实,在早期胚胎中注射CRISPR-Cas9,利用内源野生型基因拷贝作为修复模板进行的编辑修复,能够达到极高的修复效率,且有效地消除了胚胎嵌合的影响。

【2】中国学者利用基因编辑技术首次获得遗传增强的“超级”干细胞

金刚狼”、“蜘蛛侠”,这些好莱坞大片里的超级英雄家喻户晓。但在现实生活中,通过基因编辑技术改造生殖细胞,打造出这些遗传增强的“超级人类”被伦理所禁止。而在伦理许可的干细胞中,中国科学家通过基因编辑技术,首次人工改造出遗传增强的“超级”干细胞。这类干细胞或将在治疗人类疾病中展现身手。

7月7日,《细胞研究》(Cell Research)期刊在线发表了中国科学院生物物理研究所刘光慧课题组、北京大学汤富酬课题组和中科院动物研究所曲静课题组的联合研究成果,首次将基因编辑技术用于干细胞的遗传增强,从而宣布了国际上第一例遗传增强人类干细胞(Genetically Enhanced Stem cells,GES细胞)的诞生。

众所周知,干细胞是一类具有自我复制能力的细胞,在一定条件下可以分化成多种功能细胞。那这种新型干细胞又是什么?

刘光慧介绍说:“‘遗传’意味着干细胞的遗传密码被改变了,我们利用基因编辑技术改写了人类基因组中的单个碱基。这种基因组上的改变在干细胞分裂的过程中,能够稳定地传递给子细胞。”而“增强”指的是,经过这一微小的遗传密码置换,干细胞会“老”得更慢,可以在患者体内存活更长时间,产生更好的再生治疗效果。

【3】Cell Res:刘光慧等通过单碱基基因编辑重塑超级干细胞

doi:10.1038/cr.2017.86

从提高农作物的抗病能力,到原位编辑动物遗传密码,再到靶向摧毁发生基因突变的线粒体,乃至特异性矫正病人细胞中的致病基因突变,基因编辑技术的迅猛发展正在为人类的健康和生活带来不同层面的改变。日前,中科院生物物理所刘光慧课题组、北京大学汤富酬课题组和中科院动物所曲静课题组联合开展的研究进一步拓展了基因编辑技术的应用范围。研究人员利用基因编辑改写了人类基因组遗传密码中的单个碱基,首次在实验室中获得了遗传增强的“超级”干细胞(Genetically Enhanced Stem cells,GES细胞)。这种GES细胞能够对细胞衰老和致瘤性转化产生双重抵抗作用,因此为开展安全有效的干细胞治疗提供了可能的解决途径。该研究工作于2017年7月7日以“Genetic enhancement in cultured human adult stem cells conferred by a single nucleotide recoding”为题发表于Cell Research。

再生医学领域存在两个亟待解决的重要科学问题:(1)干细胞治疗的有效性,即如何获得更多高质量的可供移植治疗的人类干细胞,如何赋予这些细胞移植物更强的自我更新、存活、定向分化以及对移植环境(如衰老与应激)的耐受能力,以便令其在体内发挥更为持久的治疗效果。(2)干细胞治疗的安全性,即如何有效降低细胞移植物在体内形成肿瘤的风险。最新发表的这项研究工作聚焦于上述两个重要问题,期望通过基因编辑手段对细胞内的关键基因和信号通路进行精确调控,从而同时实现干细胞活力的提高及致瘤性的减弱,最终获得优质安全的人类干细胞移植物。

【4】Cell:重磅!科学家开发出基于CRISPR的新技术 或有望开发更为安全的基因编辑疗法

doi:10.1016/j.cell.2017.05.044

日前,一项刊登在国际著名杂志Cell上的一篇研究报告中,来自美国德克萨斯大学(The University of Texas)的研究人员通过研究利用CRISPR开发出了新型的基因编辑疗法来治疗危及生命的疾病,比如癌症、HIV和亨廷顿氏症等。

如今科学家们能够利用基因魔剪—CRISPR来对几乎任何有机体的遗传代码进行编辑,基于CRISPR的基因编辑技术对人类健康有着巨大的影响,目前已经有一系列利用CRISPR技术对人类细胞进行的试验正在进行之中,但这种方法似乎并不完美;从理论上来讲,基因编辑的工作原理就类似于利用一种自动纠正功能俩修复文档中重复出现的错误,但寻找并且编辑基因的CRISPR蛋白有时候却会靶向作用错误的基因,这样其就会将拼写正确的单次修正为拼写错误的单词,然而对错误的基因进行编辑还会产生新的问题,比如促进健康细胞发生癌变。

【5】同济大学,昆明理工大学Cell最新文章:基因编辑技术构建新模型

来自同济大学医学院,昆明理工大学等处的研究人员发表了题为“Modeling Rett Syndrome Using TALEN-Edited MECP2 Mutant Cynomolgus Monkeys”的文章,利用TALEN基因编辑技术,构建了食蟹猴神经发育性疾病Rett综合征模型,这有助于科学家们深入探讨RTT发病机理,临床治疗方法等。

这一研究成果公布在最新一期(5月18日)Cell杂志上,文章的通讯作者分别是同济大学医学院孙毅教授,昆明理工大学季维智教授和陈永昌教授,陈永昌教授同时也为第一作者。

Rett综合征(Rett syndrome)是一种主要影响儿童精神运动发育的神经系统疾病,由X-连锁MECP2基因突变所导致,每1万名女孩中就有一人受累于这一疾病(而男孩则常常会在出生或接近出生时丧命)。Rett综合征可以引起智力和身体方面许多的障碍。由于很多不同的MECP2突变都可以引起Rett综合征,这一疾病可造成从轻微到严重广泛程度的障碍残疾。目前Rett综合征仍然没有有效的治疗方法。

【6】Nat Biotechnol:新型基因编辑策略或有望攻克癌症

doi:10.1038/nbt.3843

最近,一项刊登在国际杂志Nature Biotechnology上的研究报告中,来自匹兹堡大学医学院的研究人员通过研究利用CRISPR基因编辑技术开发出了一种新型的基因疗法,这种基因疗法能够有效靶向作用促癌“融合基因”,并且改善恶性肝癌和前列腺癌小鼠模型的生存率。

研究者Jian-Hua Luo表示,这项研究中我们首次利用基因编辑技术特异性地靶向作用癌症融合基因,这也为后期我们开发治疗癌症的新型疗法提供了一定线索。融合基因通常和癌症发病相关,当先前分离的基因结合在一起候就会形成融合基因,随后融合基因就会产生一种异常蛋白诱发癌症发生。

此前研究人员鉴别出了诱发前列腺癌复发和恶性前列腺癌的一组融合基因,在Gastroenterology杂志上发表的一篇研究报告中,研究者Luo及其同事在多种类型的癌症中发现了一种名为MAN2A1-FER的融合基因,包括肝癌、肺癌和卵巢癌等,该基因主要会诱发肿瘤快速生长以及侵袭性的发生。

【7】ACS子刊:开创性地开发出一种新的基因编辑方法---基于PfAgo的人工限制酶

doi:10.1021/acssynbio.6b00324

在一项新的研究中,美国伊利诺伊大学香槟分校化学与生物分子工程系教授Huimin Zhao和研究生Behnam Enghiad开创性地开发出一种新的基因工程方法用于基础生物学研究、应用生物学研究和医学应用。他们的研究有潜力通过改善DNA切割的精确度和忠诚度为基因组研究打开新的大门。相关研究结果于2017年2月6日在线发表在ACS Synthetic Biology期刊上,论文标题为“Programmable DNA-Guided Artificial Restriction Enzymes”。

Zhao说,“利用我们的技术,我们能够构建出高度活性的人工限制酶(artificial restriction enzymes, AREs),这些AREs几乎对任何一种序列产生特异性,而且能够产生确定的长度可变的粘性末端。这是生物技术领域的一个罕见的例子,在这个领域里,人们能够以一种理性的方式轻松地和准确地设计一种想要的生物学功能或试剂。”

限制酶是基因组研究的一种重要的工具:通过在特定的位点切割DNA,它们产生切口,供外来DNA插入,从而实现基因编辑的目的。这个过程不仅是通过自然发生的限制酶实现的,而且其他的AREs近几年来日益吸引人们的关注。用于“剪切-粘贴”基因编辑的细菌免疫系统CRISPR-Cas9和修饰的限制酶TALEN是这类技术的两个流行的例子。

【8】PNAS:重磅!利用分子乐高产生更优的CRISPR基因编辑工具

doi:10.1073/pnas.1616343114

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”。

科学界充斥着CRISPR给人类基因编辑带来的希望:它为利用基因疗法治疗囊性纤维化和白血病等疾病打开大门。

比如,在囊性纤维化中,绝大多数病人存在一种导致这种疾病的基因突变。如果利用CRISPR将这种突变从基因组中切除的话,那么这种疾病可能潜在地被治愈。

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。”

【9】Nature:重磅!首次利用CRISPR-Cas9对非分裂细胞进行基因编辑

doi:10.1038/nature20565

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”。

论文通信作者、沙克研究所基因表达实验室教授Juan Carlos Izpisua Belmonte说,“我们对我们发现的这项技术感到非常激动人心,这是因为它是我们之前不能够做到的。我们首次能够以未发生分裂的细胞为靶标,随心所欲地修饰它们的DNA。这项发现的可能应用是非常巨大的。”

在此之前,修饰DNA的技术---如CRISPR-Cas9系统---已最为有效地利用分裂细胞(dividing cell)的正常复制机制在这些细胞(如在皮肤或肠道中的那些细胞)当中在发挥作用。

【10】中国研发出基因编辑系统控制新技术:实现对癌细胞的定向干预

中国研究人员在英国《自然·方法学》期刊网络版上发表论文说,他们开发的一项新技术可高效控制CRISPR-Cas9基因编辑系统,从而实现对癌细胞的定向干预。

近年迅猛发展的CRISPR-Cas9系统具有很强的基因编辑和调控能力,通过sgRNA的精确“制导”和cas9核酸酶实施靶向基因功能操作,两者协同实现编辑和调控能力。这一系统已在生命科学和医学等多领域得到广泛应用,然而其在应用过程中仍有许多方面尚待完善,如避免“使用失控”和“过度编辑”等问题。

深圳市第二人民医院的研究人员通过互补结合核酸适配体RNA茎部序列与CRISPR-Cas9系统中sgRNA负责识别靶基因的序列,实现了对CRISPR-Cas9系统的控制,形成一套可精确调控基因激活、抑制和切割等多重功能的新技术。(生物谷Bioon.com)

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