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Cell:重磅!在哺乳动物体内利用改造的CRISPR/Cas9治疗糖尿病、急性肾病和肌肉萎缩症

来源:本站原创 2017-12-09 20:45

2017年12月9日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自美国沙克生物研究所的研究人员开发出CRISPR/Cas9基因组编辑技术的一种新版本,从而允许他们激活靶基因,同时不会导致DNA断裂,这就潜在地克服了利用基因编辑技术治疗人类疾病的一个重大的障碍。相关研究结果于2017年12月7日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“In Vivo Target Gene Activation via CRISPR/Cas9-Mediated Trans-epigenetic Modulation”。
图片来自Salk Institute。

大多数CRISPR/Cas9系统会在靶向编辑或删除的基因组区域中产生“双链断裂(double-strand break, DSB)”,但是很多人反对在活人的DNA中产生这样的双链断裂。作为一项概念验证研究,这些研究人员在小鼠模型中利用他们的新方法来治疗包括糖尿病、急性肾病和肌肉萎缩症在内的几种疾病。

论文通信作者、沙克生物研究所基因表达实验室教授Juan Carlos Izpisua Belmonte说,“尽管许多研究已证实CRISPR/Cas9能够作为一种强有力的工具用于基因治疗,但是人们越来越担心这种技术产生的双链断裂会产生不想要的突变。我们能够解决这个问题。”

在初始的CRISPR/Cas9系统中,酶Cas9与指导它靶向到基因组中合适位点上的向导RNA(gRNA)结合在一起,从而在DNA上产生双链断裂。近期,一些人开始使用Cas9的“死亡”形式(即dCas9):仍然能够靶向基因组中的特定位点,但是不再切割DNA。相反,dCas9与激活靶基因的转录激活结构域(transcriptional activation domain, TAD,起着分子开关的作用)结合在一起。但是由此产生的蛋白---dCas9-TAD---块头太大而不适合被包装到通常用于运送编码这些蛋白的基因到活体细胞内的腺相关病毒(AAV)载体中。缺乏一种高效的运送系统使得很难在临床应用中使用这种工具。

Izpisua Belmonte团队将Cas9/dCas9与一系列不同的TAD结合在一起以便发现一种即便这些蛋白不融合在一起时也能够发挥作用的组合。换言之,将Cas9或dCas9包装到一种AVV载体中,将TAD和gRNA包装到另一种AAV载体中。他们还对gRNA进行优化以便确保所有的这些组分最终出现在基因组的合适位点上,而且靶基因受到强烈地激活。

论文共同第一作者、Izpisua Belmonte实验室研究员Hsin-Kai (Ken) Liao说,“这些组分一起都在有机体中发挥作用,从而影响内源性基因。”这种新方法以这种方式在表观遗传学上发挥作用,这意味着它影响基因活性,但不改变DNA序列。

为了验证这种方法,这些研究人员使用了急性肾损伤、1型糖尿病和一种肌肉萎缩症的小鼠模型。在每种小鼠模型中,他们设计出他们的CRISPR/Cas9系统来增强可能潜在地逆转疾病症状的内源性基因的表达。就急性肾病而言,他们激活两个已知参与肾脏功能的基因,并观察到不仅这些基因表达的蛋白水平发生增加,而且这会改善急性肾脏损伤发生之后的肾脏功能。就1型糖尿病而言,他们旨在增强能够产生β细胞(即一种分泌胰岛素的细胞)的基因的活性。这种新方法又一次发挥作用,成功地降低1型糖尿病小鼠模型中的血糖水平。就肌肉萎缩症而言,他们让之前已经证实逆转疾病症状的基因表达,包括不能够很容易地通过传统的病毒介导的基因疗法加以运送的一个特别大的基因。

论文共同第一作者、Izpisua Belmonte实验室研究员Fumiyuki Hatanaka补充道,“当我们看到小鼠的研究结果时,我们感到非常地激动人心。我们能够诱导基因激活,并且同时观察到生理变化。”

如今,Izpisua Belmonte团队正在努力改善他们的CRISPR/Cas9系统的特异性,并且将它应用于更多的细胞类型和器官中,以便治疗更多的人类疾病,以及让特定的器官恢复青春,并逆转衰老过程和年龄相关的症状,如听力下降和黄斑变性。他们说,在开展人体临床试验之前,还将需要进行更多的安全性测试。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

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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