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Science:CRISPRa加入肥胖之战,无需对基因组进行编辑就能对抗肥胖

来源:本站原创 2018-12-15 11:13

2018年12月15日/生物谷BIOON/---在一项重要的新研究中,来自美国加州大学旧金山分校的研究人员证实CRISPR疗法可以在不切割DNA的情况下减少体内的脂肪。他们利用一种经过修饰的CRISPR版本提高某些基因的活性,从而阻止携带着导致极端体重增加易于发生的基因突变的小鼠出现重度肥胖。重要的是,他们实现了持久的体重控制,而无需对小鼠基因组进行一次基因编辑。相关研究结果于2018年12月13日在线发表在Science期刊上,论文标题为“CRISPR-mediated activation of a promoter or enhancer rescues obesity caused by haploinsufficiency”。

单拷贝突变导致许多人类疾病

尽管人类基因组包含每个基因的两个拷贝,一个拷贝来自父亲,另一个拷贝来自母亲,但是科学家们已知道在至少660个基因中,仅一个拷贝发生突变就能够导致疾病,其中的一些疾病甚至是毁灭性的。重度肥胖就是这样的一种疾病。在这项新的研究中,这些研究人员利用重度肥胖作为一种模型,旨在开发新的治疗方法来自治疗这些由单拷贝突变引发的疾病。
CRISPRa示意图,图片来自ACS Chem Biol. 2018 Feb 16;13(2):406-416。

基因SIM1或MC4R---两个在调节饥饿和饱腹感中起着至关重要作用的基因---的单个拷贝发生突变在重度肥胖患者中是经常观察到的。当这些基因的两个拷贝都起作用时,人们通常能够控制他们的食物摄入。但是基因突变能够让其中的一个拷贝失去功能,这迫使人体完全依赖于单个正常的基因拷贝,然而这个正常的基因拷贝本身无法足够地发出饱食信号,这就使得受到影响的个人具有无休止的食欲。结果就是他们无法控制他们的食物摄入并最终导致重度肥胖。但是,CRISPR技术取得的最新进展可能提供一种治疗方案。

论文通讯作者、加州大学旧金山分校生物工程与治疗科学教授Nadav Ahituv博士说,“我们认为如果我们能够增加现有的一个功能性基因拷贝的表达剂量,我们就可能阻止携带单拷贝突变的个人患上许多人类疾病。我们能够通过使用在加州大学旧金山分校开发的一种基于CRISPR的新技术来实现这一目标。”

利用CRISPRa激活抑制食欲的基因

在这项新的研究中所涉及的这种技术是一种称为CRISPR介导激活(CRISPR-mediated activation, CRISPRa)的技术。它是由加州大学旧金山分校细胞与分子药理学教授Jonathan Weissman博士及其团队开发出来的,它与常规CRISPR的不同之处在于它不会对宿主基因组进行切割。它保持了常规CRISPR的引导系统,这种引导系统经编程后能够靶向特定的DNA序列,但是将与一串短肽(即SunTag array)融合在一起的没有切割活性的Cas9(dCas9)替换常规CRISPR中的有切割活性的Cas9。当CRISPRa找到其靶DNA序列时,这一串短肽能够在细胞中招募转录激活因子,从而促进特定基因表达,但是没有发生基因编辑。

在认识到它的潜力后,这些研究人员构建出靶向调节SIM1或MC4R活性的序列的CRISPRa系统。他们在经过基因改造后仅有SIM1或MC4R的一个功能性拷贝的小鼠中,利用一种病毒运送系统将这些CRISPRa构造体导入到小鼠的大脑饥饿控制区域中。

接受CRISPRa构造体注射的小鼠比没有接受CRISPRa构造体注射的小鼠产生更多的SIM1或MC4R,而且,产生的SIM1或MC4R数量与具有这些基因的两个功能性拷贝的小鼠在正常情形下产生的数量相当。最为重要的是,增加的表达剂量足以阻止这些小鼠变得肥胖。

论文第一作者、Ahituv实验室研究员Navneet Matharu博士说,“这些结果是激动人心的。缺失一个SIM1基因拷贝的小鼠在4周龄时接受了CRISPRa注射,并且像正常小鼠那样保持健康的体重。未接受CRISPRa注射的小鼠不能停止进食。它们在6周龄时开始体重增加,而且到10周大时,摄入普通饮食的它们出现重度肥胖。”

接受CRISPRa治疗的小鼠在体重上要比未治疗的小鼠减轻30%至40%。这种效果也是持久性的。这些研究人员对这些小鼠进行了10个月的监测---这是小鼠正常寿命的一小部分---并且发现那些接受CRISPRa单次治疗的小鼠在监测期间保持了健康的体重。

Matharu说,“这些结果表明,CRISPRa可能用于提高因一个基因拷贝缺失引起的疾病中的基因表达剂量,从而为某些形式的肥胖以及数百种其他疾病提供一种潜在的治疗方法。”

CRISPRa能够克服基因编辑的局限性

这些研究人员认为,通过使用CRISPR对这些小鼠的基因组进行编辑,也可能取得类似的结果,但是他们认为相比于这种常规的基因编辑技术,CRISPRa具有许多优势。

论文共同作者、加州大学旧金山分校糖尿病研究主任Christian Vaisse博士说,“出于治疗目的,CRISPRa可能优于常规CRISPR。它解决了许多与对基因组进行永久性修饰相关的问题,并且它有潜力治疗多种不能选择基因编辑加以治疗的遗传疾病。”

尽管常规CRISPR靶向特定的DNA序列,但是人们已观察到它存在脱靶效应。对常规CRISPR而言,这可能无意中导致基因组发生永久性变化,从而产生潜在有害的结果。然而,与CRISPRa相关的脱靶效应不太可能具有破坏性,这是因为它没有导致永久性变化。事实上,这项新的研究表明利用CRISPRa靶向启动子和增强子---控制基因何时何地开启的非编码DNA序列---似乎能够阻止脱靶效应,同时将所需的效果限制在感兴趣的特定组织中。

这些研究人员还指出CRISPRa可能用于治疗其他类型的遗传疾病。就目前而言,由所谓的“微缺失(microdeletion)”---这一术语指的是较大的横跨上百万个核苷酸和多个基因的染色体片段缺失---引起的疾病对常规CRISPR来说因缺口太大而无法加以修复。在这种情况下,CRISPRa可能通过增加染色体上未受影响的基因拷贝的活性来补偿这种微缺失。他们表示,在基因完全丧失(即一个基因的两个拷贝都失去活性)的情况下,CRISPRa还可能激活另一个具有相似功能的基因来补偿这个缺失的基因。

Ahituv说,“尽管这项新的研究着重关注肥胖,但是我们认为我们的系统可能用于仅一个基因拷贝的缺失就能够导致疾病的任何情形。我们的方法展示了它在治疗多种疾病上具有巨大的治疗潜力,而且我们能够在不对基因组进行任何编辑的情况下实现这些益处。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Navneet Matharu et al. CRISPR-mediated activation of a promoter or enhancer rescues obesity caused by haploinsufficiency. Science, 2018, doi:10.1126/science.aau0629.
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