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2019年9月CRISPR/Cas最新研究进展

来源:本站原创 2019-09-30 23:59

2019年9月30日讯/生物谷BIOON/---基因组编辑技术CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一,受到人们的高度重视。CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称,Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas最初是在细菌体内发现的,是细菌用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 

2018年11月26日,中国科学家贺建奎声称世界上首批经过基因编辑的婴儿---一对双胞胎女性婴儿---在11月出生。他利用一种强大的基因编辑工具CRISPR-Cas9对这对双胞胎的一个基因进行修改,使得她们出生后就能够天然地抵抗HIV感染。这也是世界首例免疫艾滋病基因编辑婴儿。这条消息瞬间在国内外网站上迅速发酵,引发千层浪。有部分科学家支持贺建奎的研究,但是更多的是质疑,甚至是谴责。

即将过去的9月份,有哪些重大的CRISPR/Cas研究或发现呢?小编梳理了一下这个月生物谷报道的CRISPR/Cas研究方面的新闻,供大家阅读。

1.Science:全文解读!开发出CRISPR LiveFISH技术,成功对活细胞中的DNA和RNA进行实时成像
doi:10.1126/science.aax7852


基因组编辑可以诱导包括易位在内的染色体重排。尽管测序方法已用于鉴定和描述与遗传疾病和基因编辑有关的染色体异常,但是染色体重排的时间动态变化鲜为人知。

之前的研究依赖于使用基因组整合的LacO/TetO阵列,这既枯燥又有挑战性。与荧光蛋白融合在一起的没有核酸酶活性的dCas9,或者招募单向导RNA(sgRNA)的与荧光蛋白融合在一起的RNA结合蛋白能够对基因组位点进行CRISPR介导的实时成像。但是,对编码CRISPR组件的DNA的需要限制了它的使用。传统的荧光原位杂交(FISH)需要DNA变性,同时在体外与sgRNA组装在一起的荧光标记dCas9(CASFISH)仅检测固定样本中的基因组位点,这就限制了实时追踪。

在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学、卡斯迪加学校和中国浙江大学的研究人员报道了一种称为CRISPR活细胞荧光原位杂交(CRISPR live-cell fluorescent in situ hybridization, CRISPR LiveFISH)的实时成像方法,从而允许研究活细胞中的各种染色体功能。相关研究结果发表在2019年9月20日的Science期刊上,论文标题为“CRISPR-mediated live imaging of genome editing and transcription”。
图片来自Science, 2019, doi:10.1126/science.aax7852。

这些研究人员报道了用于活细胞DNA和RNA成像的CRISPR LiveFISH技术。化学合成的荧光gRNA与dCas蛋白形成的复合物能够促进快速稳健地、可扩展地对细胞(包括原代细胞)中的基因组DNA进行追踪和对细胞中的RNA进行成像。在富含核糖核酸酶的环境中,对Cas9:gRNA:DNA三元复合物中gRNA的靶DNA依赖性保护会富集靶信号,同时让背景噪音最小化。CRISPR LiveFISH也允许对活细胞中内源性基因组位点上发生的CRISPR诱导的基因编辑和易位事件进行动态追踪。使用dCas9和dCas13系统的双DNA/RNA CRISPR LiveFISH能够对相同细胞中的基因组DNA和RNA转录本进行实时成像。人们有可能将CRISPR LiveFISH与其他的基因操纵技术(比如,CRISPRi/a、表观遗传修饰和CRISPR-GO)结合使用来加深对基因组组装和细胞核事件的时空动态变化的理解。

2.Science子刊:利用CRISPR/HDR技术进行工程化改造有望赋予杂交瘤抗体多样化的功能!
doi:10.1126/sciadv.aaw1822


如今,生物工程师和生命科学家能够结合杂交瘤技术来制造大量相同的抗体,同时还能开发出新型的抗体疗法和诊断技术,近年来该技术的临床前和临床研究都突出了抗体型别对于治疗效果的重要性。

单克隆抗体(mAb)的应用彻底改变了医学领域,其能用来治疗曾经科学家认为无法治愈的多种疾病。从1975年开始,杂交瘤技术被广泛应用于单克隆抗体的发现、筛选和生产,在过去10年里,科学家们为临床研究制造了大量杂交瘤,并对其进行了验证和发展,其中mAb的形式和型别对于理解其在临床前模型中的表现非常重要。基因工程所产生的mAbs通常采用重组技术进行生产,其中的可变结构域能进行测序、并且克隆到质粒中,在瞬态系统中进行表达;但这些过程比较耗时、具有挑战性且成本高昂,会严重阻碍临床前的研究进程。

在一项最新研究中,来自荷兰的研究人员开发出了一种多用途的CRISPR和同源定向修复(HDR)平台,其能够快速设计免疫球蛋白结构域并形成重组杂交瘤,其能够分泌设计抗体的首选格式、物种或亚型。研究人员认为,这种通用型的平台或将能够促进大规模抗体工程研究,助力科学家们进行临床前的抗体研究工作。

3.Nat Commun:新研究发现细菌中的CRISPR-Cas9防御系统
doi:10.1038/s41467-019-12244-z


借助高度先进的显微镜和同步加速器,哥本哈根大学的研究人员对细菌抵御其他细菌和病毒的分子机制提出了开创性的见解。相关结果发表在最近一期的《Nature Communications》杂志上。这一发现可能会成为将来与疾病作斗争的重要基石。

研究人员展示了被病毒攻击的细胞如何激活称为COA(环状寡聚腺苷酸)的分子,而COA则激活一种称为CSX1的蛋白复合物,以清除发起攻击的病毒。

“以通俗的说法,CSX1能够弱化入侵者的侵染力。一旦COA被激活,我们就能看到CSX1如何被激活,进行旋转并开始保护细胞免受感染。”诺和诺德基金会蛋白质研究中心的Guillermo Montoya教授解释说。

哥本哈根大学的研究人员还成功地激活了这一过程。他们给这种蛋白复合物提供COA分子,从而启动了防御机制。“简而言之,我们发现了一个开关,可以在我们需要的时候开启细胞的防御系统,这样我们就可以消除潜在的攻击,”Montoya教授说道道。

4. Nat Biotechnol:新型纳米胶囊高效输送Cas9核糖核酸蛋白复合物用于体内基因组编辑
doi:10.1038/s41565-019-0539-2


编辑遗传密码的新工具为遗传性疾病、某些癌症甚至顽固病毒感染的新疗法带来了希望。但是,将基因疗法传递到身体特定组织的典型方法可能是复杂的,并可能导致令人不安的副作用。威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员通过将基因编辑有效载荷装入可定制的微型合成纳米胶囊中解决了其中的许多问题。近日他们在《Nature Nanotechnology》杂志上描述了这种新型的递送系统。

威斯康辛大学麦迪逊分校生物医学工程教授、全美基因组编辑协会指导委员会联席主席Krishanu Saha表示:"在注射基因疗法后,编辑体内错误的组织是一个严重的问题。"该协会得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health) 1.9亿美元的资助。"如果生殖器官被无意中编辑了,那么病人就会把编辑的基因遗传给他们的孩子和后代。"

Gong的实验室将基因治疗的有效载荷--也就是基因编辑工具CRISPR-Cas9的一个版本,用Saha实验室设计的导向RNA--包裹在一个薄的聚合物外壳上,形成一个直径约25纳米的胶囊。纳米胶囊的表面可以装饰有多肽等官能团,使纳米颗粒能够靶向某些细胞类型。

纳米胶囊在细胞外保持完整--例如,在血液中--只有在目标细胞内被一种叫做谷胱甘肽的分子触发时才会分裂。然后,释放的有效载荷移动到细胞核,编辑细胞的DNA。由于纳米胶囊在细胞细胞质内的寿命较短,因此有望减少意外的基因编辑。

5.Nat Biotechnol:构建出具有自我编辑活性的DNA碱基编辑器
doi:10.1038/s41587-019-0236-6


在一项新的研究中,Julian Grünewald等人描述了对SECURE-BE3变体进行结构引导的改造,其中SECURE-BE3变体具有下降的脱靶RNA编辑活性和可比较的在靶DNA编辑活性,也是迄今为止描述的最小酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes)Cas9碱基编辑器之一。相关研究结果发表在2019年9月的Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“CRISPR DNA base editors with reduced RNA off-target and self-editing activities”。
图片来自Nature Biotechnology, 2019, doi:10.1038/s41587-019-0236-6。

他们还测试了基于除APOBEC1以外的胞苷脱氨基酶的CBE,结果发现基于人APOBEC3A的CBE诱导大量的RNA碱基编辑,然而基于APOBEC3A的增强型CBE6、基于人激活诱导的胞嘧啶脱氨酶(activation-induced cytidine deaminase)的CBE7和基于七鳃鳗(Petromyzon marinus)胞苷脱氨酶的CBE Target-AID4诱导较少的RNA编辑。

最后,他们发现表现出RNA脱靶编辑活性的CBE和ABE也能够对它们自身的转录本进行自我编辑,从而导致碱基编辑器编码序列出现异质性。

6.Mol Ther:CARSPR-cas9技术能够治疗杜氏肌营养不良
doi:10.1016/j.ymthe.2019.06.012


杜氏肌营养不良症(DMD)是一种罕见但十分严重的遗传性疾病,可导致肌肉的流失与机体的损伤。DMD患者存在的基因突变会导致一种名为dystrophin的蛋白质的产生受阻。没有dystrophin的存在,肌肉细胞会变弱,直至最终死亡。许多孩子因此失去了行走能力,最终维持呼吸和心脏功能所必需的肌肉也会停止工作。最近,由密苏里大学医学院的研究人员作出的一项研究表明:基因编辑技术CRISPR可以为纠正导致该疾病发生的基因突变提供终生性的手段。

“基于动物模型的研究表明,CRISPR可用于纠正导致肌肉细胞异常死亡的基因突变,”该文章的资深作者Dongsheng Duan博士说到:“然而,由于这些基因编辑的肌肉细胞会随着时间的推移而逐渐老去。因此,如果我们可以纠正肌肉干细胞中的相关突变,那么再生的肌肉细胞将不再携带该突变。”

首先,研究人员通过AAV9向正常小鼠肌肉注入基因编辑载体。“我们将AAV9处理的肌肉移植到免疫缺陷的小鼠体内。移植的成年肌肉细胞会率先死亡,然后干细胞中再生新生的肌肉细胞。如果干细胞能够被成功编辑,那么再生的肌肉细胞也应携带编辑的基因。”

研究人员的推理是正确的,因为他们在再生肌肉中发现了大量的,已经经过编辑细胞。并且这些细胞能够正常产生dystrophin蛋白。

7.Nat Commun:新型CRISPR方法鉴定出弓形虫在宿主体内存活的关键基因
doi:10.1038/s41467-019-11855-w


在一项新的研究中,通过使用一种基于CRISPR的基因筛选方法,来自英国弗朗西斯-克里克研究所的研究人员鉴定出弓形虫在小鼠体内存活的关键基因。相关研究结果近期发表在Nature Communications期刊上,论文标题为“A CRISPR platform for targeted in vivo screens identifies Toxoplasma gondii virulence factors in mice”。

这项研究提供了一种灵活的新方法,可用于扩大CRISPR筛选的使用范围。这种方法还允许在小鼠体内同时测试弓形虫的数百个基因,从而极大地减少了所使用的研究动物的数量。

论文共同第一作者、弗朗西斯-克里克研究所博士后研究员Joanna Young说,“通过选择一部分基因进行靶向,我们不会在弓形虫能够繁殖之前冒着压倒宿主的风险。我们用弓形虫突变体库感染小鼠,我们预测它们会与宿主发生相互作用。这揭示了新的毒力因子,并证实了之前的研究中已知的那些毒力因子。”

8.Nat Chem Biol:利用CRISPR/Cas9鉴定出调节抗体-药物偶联物毒性作用的基因
doi:10.1038/s41589-019-0342-2


化学疗法起作用的基本前提是杀死所有快速生长的细胞,以消灭肿瘤细胞。这种策略虽然通常是有效的,却会造成相当多的脱靶伤亡,比如,它会杀死产生毛发的细胞和位于胃部内壁的细胞。科学家们试图通过制造类似导弹的药物来解决这个问题,这些药物特异性地攻击癌细胞而不会伤害健康细胞。美国斯坦福大学医学院遗传学研究生Kimberly Tsui表示,这些类似导弹的药物称为抗体-药物偶联物(antibody-drug conjugates, ADC),已开展了数十年的研究,但是仅在近年来,它们才进入临床试验。

如今,在一项新的研究中,Tsui、斯坦福大学医学院遗传学助理教授Michael Bassik博士和一组研究人员正在利用基因编辑技术来更好地了解ADC如何对癌细胞给予致命打击。相关研究结果近期发表在Nature Chemical Biology期刊上,论文标题为“CRISPR-Cas9 screens identify regulators of antibody–drug conjugate toxicity”。Tsui是论文第一作者。这项研究是与斯坦福大学ChEM-H主任Carolyn Bertozzi博士合作完成的。
图片来自CC0 Public Domain。
Bassik和Tsui使用基因编辑技术CRISPR/Cas9来确定哪些基因可以帮助ADC进入癌细胞。

Tsui说,“通过我们的CRISPR筛查系统,我们可以一次关闭一个基因,从而找出哪些基因对ADC的毒性作用很重要。”通过使用这种方法,他们试图了解哪些基因有助于加强ADC的毒性作用,或者抑制ADC的毒性作用。

9.Genome Research:基因治疗可以减少肥胖,逆转小鼠的2型糖尿病
doi:10.1101/gr.246900.118


全球近5亿人受到肥胖的影响,其中很多是儿童。与肥胖相关的疾病,包括心脏病、中风、2型糖尿病和癌症,是可预防死亡的主要原因。肥胖是由遗传因素和环境因素共同造成的,影响了有效的抗肥胖药物的开发,这些药物存在严重的脱靶效应。在近日发表在《Genome Research》杂志上的一项研究中,研究人员开发了一种基因疗法,可以专门降低肥胖小鼠的脂肪组织,逆转与肥胖相关的代谢疾病。

为了克服目前抗肥胖药物的副作用,研究人员Jee Young Chung和同事开发了一种针对脂肪酸代谢基因Fabp4的特殊基因沉默疗法。研究人员使用了CRISPR干扰系统,其中催化死亡的Cas9蛋白和单导RNA与组织特异性融合肽靶向白色脂肪细胞。复合物内化后对细胞毒性小,内化后,分子复合物降低Fabp4的表达,减少脂肪细胞内脂质储存。为了证明这种传递方法在细胞中表现良好,Chung和他的同事在肥胖小鼠身上测试了他们的治疗方法。给老鼠喂食高脂肪食物会导致肥胖和胰岛素抵抗。Fabp4的抑制作用使患者的体重减轻了20%,并在仅仅6周的治疗后改善了胰岛素抵抗和炎症。研究人员同时还观察到其他的全身改善,包括减少脂肪脂肪沉积在肝脏和减少循环甘油三酯。

10.PNAS:科学家用CRISPR成功治疗三阴性乳腺癌!
doi:10.1073/pnas.1904697116


波士顿儿童医院(Boston Children's Hospital)的研究人员称,一种肿瘤靶向CRISPR基因编辑系统可以有效且安全地阻止三阴性乳腺癌的生长,该系统被封装在纳米凝胶中,并注射到体内。他们在人类肿瘤细胞和小鼠身上进行的原理验证研究,提出了一种潜在的基因治疗三阴性乳腺癌的方法。在所有乳腺癌中,三阴性乳腺癌的死亡率最高。美国国家科学院院刊(PNAS)近日在网上报道了这项新的专利保护策略。

这项由波士顿儿童血管生物学项目的Peng Guo博士和Marsha Moses博士领导的新研究首次成功地使用了靶向CRISPR基因编辑技术来阻止TNBC肿瘤在体内的生长(通过注射到活的荷瘤小鼠体内)。这种新系统无毒,可以利用抗体选择性地识别癌细胞,同时不损伤正常组织。 实验表明,CRISPR系统能够锁定乳腺肿瘤,并敲除一种著名的促进乳腺癌的基因--脂质运载蛋白2,对肿瘤组织的编辑效率达到81%。该方法使小鼠模型的肿瘤生长速度降低了77%,对正常组织没有毒性。(生物谷 Bioon.com)

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