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精准化基因组编辑技术未来或将大有可为

来源:本站原创 2020-06-28 21:14

2020年6月28日 讯 /生物谷BIOON/ --如今,CRISPR基因编辑技术引发了基因组编辑研究的复兴,下一代的CRISPR技术或能帮助科学家们更加有效、更精准地对基因组进行修饰,而且这些工具未来有望作为多种疾病的治疗性手段,但其仍然面临着许多挑战。

今年1月份,来自全球各地的100名科学家们聚集在加利福尼亚进行交流,他们讨论的主题是基因组,更确切地说,是如何去改变基因组;就在3年前,研究者Liu及其同事就发表了一篇文章,文章中,他们描述了第一个“碱基编辑器”(base editor),该工具有望将CRISPR基因编辑技术推向一个新的高度。有了碱基编辑器,研究人员就拥有了一种高效精准的手段来对基因组进行修饰,诸如这种编辑器就能让科学家们纠正DNA中单个碱基的突变,即非常微小的遗传拼写错误,其是包括镰刀状细胞贫血症等在内的多种人类疾病发生的根源。这是一项突破性的研究成果,如今科学家们已经发表了超过300篇文章来讨论该技术的应用,其所应用的物种涵盖了从细菌到山羊等多个生物体。

图片来源:Fairman Studios, LLC

如今该研究领域正在接近临床试验阶段,在过去几个月里,研究人员已经报告了在碱基编辑器准备用于临床治疗之前的实际改进情况,目前科学家们已经在动物研究中看到了成功,他们已经使用碱基编辑器纠正了引发小鼠早衰背后的遗传错误。最近,研究者Liu及其同事报告了在患有遗传性耳聋的小鼠机体中进行了类似的实验,刊登在Science Translational Medicine杂志上的研究报告中,研究人员通过将碱基编辑器注入小鼠的内耳中后部分恢复了小鼠的听力。

然而,如果基因编辑器用于人类的话,其仍然存在许多障碍,比如如何确保其精准性,因此其只会在需要修饰的地方进行修饰,此外,研究人员还在考虑如何安全将其作为人类疾病的治疗性手段,研究者认为该领域需要发展,但又面临诸多挑战,因此人类或许目前尚处于基因编辑研究的开端;为了理解碱基编辑器的作用原理,或许要先从了解CRipsR的原理开始。

强大的基因编辑技术从2012年开始相继出现,其能为科学家们提供一种新型更为简单的方法来对DNA进行有针对性的改变;在CRISPR技术的帮助下,科学家们就不需要创造一个全新的蛋白质来编辑DNA靶点,相反,其能简单地生成一条短链RNA,这种引导RNA能直接指挥其伴侣—称之为Cas9的蛋白剪刀进入所需要的位点,随后Cas9就会将其绑到DNA上,并剪断DNA的两条链,这是一种非常有效的破坏基因的手段,因为在大多数细胞中,切断DNA会导致DNA元件在目标位置被插入或删除。

CRISPR的潜力引起了很多科学家们的关注,研究人员可以利用该技术来对不同碱基进行编辑,比如ATCG等,2016年,研究者Liu等人的研究取得了重大进展,他们将Cas9与一种能将原子重排的酶类连接起来,随后得到了一种称之为胞嘧啶碱基编辑器的杂交蛋白,该蛋白就能停留在基因组的特殊位点,并将一种类型的DNA碱基转化为另一种,比如从C到T或从G到A,一年后研究者Liu的团队就开发出了腺嘌呤碱基编辑器,其能将A转换为G,将T转换为C。这两种碱基编辑器融合了两种强大的蛋白,并创造了一种编辑基因组的全新方法。

大部分的碱基编辑器只能够进行某些种类的转换,但一种更为新型的工具或许可以做得更好,大约在7个月前,研究者Liu等人推出了一种名为Prime编辑器(prime editors),这是另一种能对人类细胞中基因组进行编辑的新型工具,其仍然依赖于Cas9的DNA结合能力,但研究者Liu等人将其与另外一种酶类进行融合,即一种能将文本直接插入到基因组中的酶类。如果说Cas9像一把分子剪刀的话,那么碱基编辑器就是铅笔,而prime 编辑器就好比是分子文本处理器,其会进行搜索和替换,找到研究人员想要瞄准的一段DNA并将旧字母转换为研究人员指定的一段新字母。除了能够插入或剔除基因组文本外,如今研究人员还能利用prime 编辑器对哺乳动物细胞中各种可能性的DNA碱基进行替换;研究人员大部分时间都在致力于推进prime和碱基编辑器最大限度地应用到人类多种疾病的治疗过程中去。

图片来源:David Liu/Fairman Studios, LLC

如果你询问研究者Liu关于精准化基因组编辑器的治疗潜力,他就会开始给你列举数字,Liu表示,有超过7.5万个遗传突变与人类疾病有关,其中大约一半都是单碱基的交换,三分之二的交换是从C到T、G到A,或者相反;而这些正是记碱基编辑器需要修复的遗传变化,这种称之为点突变的遗传改变是包括早衰症、遗传性耳聋在内多种疾病发病的根源。prime 编辑器会提供更大的灵活性,因为其能修复更大的遗传障碍,比如最常见的囊性纤维化就是3个DNA碱基的小缺失所引发的。

碱基编辑和prime编辑都非常重要,如今其在农业研究领域也能发挥一定作用;研究人员已经能够成功将prime编辑器应用于植物研究中;在不到4年时间里,碱基编辑器已经从学术理念上升到了潜在治疗方法的阶段,但基于该技术所开发的遗传性药物或许还需要进行多年的研究,此前发表在Science杂志上的两篇研究报告中,中国的研究人员发现,在小鼠胚胎和水稻中,胞嘧啶碱基编辑器能发挥一定作用。

2月份,发表在Nature Biotechnology杂志上的一篇研究报告中,研究人员表示他们开发出了一种快速检测编辑错误的方法,同时还开发出了一套全新的胞嘧啶碱基编辑器来让错误减少10-100倍,随后研究者在Life Science Alliance杂志上刊文表示他们开发了另外一种新方法能够实现胞嘧啶碱基编辑器以更高的特异性发挥作用,而研究者Liu的团队则开发出了3种新型的Cas9突变体,其能针对基因组中曾经无法编辑器的区域开始进行编辑,6月份,另外两个研究小组报道了一种双碱基编辑器,其能结合腺嘌呤和胞嘧啶碱基编辑器的DNA碱基交换能力,而研究者Liu等人则已经开始使用人工智能技术来预测碱基编辑的结果,相关研究发表在Cell杂志上。尽管碱基编辑器目前来讲并不完美,但研究人员仍会不断对其进行改进。

大部分的药物都是被包装成药片的小分子化合物,而基因组编辑器则是大型的复杂分子,因此科学家们并不能只是将其塞进药片中让人们吞下,或者注射到体内,研究人员还需要找到其它手段将这类分子送入患者的细胞中,来自马赛诸塞大学的研究者Guangping Gao开发出了一种依赖于病毒的新方法,其能潜在将基因组编辑器装入诸如腺相关病毒等病毒中,而这类病毒目前已经在FDA批准的多个药物中看到了临床应用,其能感染患者体内的细胞并释放负荷。或许后期科学家们需要开发出完整不同的运输系统,而目前他们正在尝试使用脂质纳米颗粒,并使用电场将基因组编辑器诱骗到细胞中,从而移植到患者体内。然而,目前研究人员在如何运输上面临着一个主要障碍,但他们仍然对基因组编辑器非常感兴趣,最后研究者表示,基因疗法目前正处于一个黄金时代,而基因组编辑器未来或将为治疗多种人类疾病开辟更多的途径。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】Precision genome editing enters the modern era

【2】Doman, J.L., Raguram, A., Newby, G.A. et al. Evaluation and minimization of Cas9-independent off-target DNA editing by cytosine base editors. Nat Biotechnol 38, 620–628 (2020). doi:10.1038/s41587-020-0414-6

【3】Miller, S.M., Wang, T., Randolph, P.B. et al. Continuous evolution of SpCas9 variants compatible with non-G PAMs. Nat Biotechnol 38, 471–481 (2020). doi:10.1038/s41587-020-0412-8

【4】MagnEdit—interacting factors that recruit DNA-editing enzymes to single base targets

【5】Lin, Q., Zong, Y., Xue, C. et al. Prime genome editing in rice and wheat. Nat Biotechnol 38, 582–585 (2020). doi:10.1038/s41587-020-0455-x

【6】Wei-Hsi Yeh,Olga Shubina-Oleinik,Jonathan M. Levy, et al. In vivo base editing restores sensory transduction and transiently improves auditory function in a mouse model of recessive deafnessScience Translational Medicine  03 Jun 2020: Vol. 12, Issue 546, eaay9101 doi:10.1126/scitranslmed.aay9101

【7】Determinants of Base Editing Outcomes from Target Library Analysis and Machine Learning

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