2021年1月CRISPR/Cas研究进展

2021年1月31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。2020年10月，德国马克斯-普朗克病原学研究所的Emmanuelle Charpentier博士以及美国加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna博士因在CRISPR-Cas9基因编辑方面做了的贡献荣获2020年诺贝尔化学奖。

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1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论文详解！基于CRISPR/Cas9的单细胞谱系追踪，揭示癌症异种移植物转移的速率、途径和驱动因子
doi:10.1126/science.abc1944

当癌症局限于身体的一个部位时，医生通常可以通过手术或其他疗法进行治疗。然而，大部分与癌症有关的死亡，是由于它的转移倾向，发送自己的种子（癌细胞），可能在全身生根。转移的确切时刻转瞬即逝，混杂在肿瘤中发生的数百万次分裂中。美国怀特黑德研究所成员Jonathan Weissman说，“这些事件通常是不可能实时监测的。”

如今，在一项新的研究中，Weissman领导的一个研究团队把CRISPR工具变成了实现这一目标的一种方法。Weissman实验室与加州大学伯克利分校计算机科学家Nir Yosef和加州大学旧金山分校癌症生物学家Trever Bivona合作，以进化生物学家看待物种的方式对待癌细胞，绘制出极其详细的家族树。通过探究这个家族树的分支，他们可以跟踪癌细胞的谱系，以找到单个肿瘤细胞何时变得异常，将其后代扩散到身体的其他部位。相关研究结果于2021年1月21日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Single-cell lineages reveal the rates, routes, and drivers of metastasis in cancer xenografts”。

图片来自Jeffrey Quinn/Whitehead Institute。

Weissman 说，“通过这种方法，你可以问这样的问题：‘这个肿瘤转移的频率有多高？转移的部位来自哪里？它们去了哪里？’通过能够跟踪肿瘤在体内的历史，你可以揭示肿瘤的生物学差异，而这通过常规手段是观察不到的。”

2.Cell论文解读！新研究揭示CRISPR/Cas9除了作为基因编辑工具，还可作为调节开关调节基因活性
doi:10.1016/j.cell.2020.12.017

在一系列针对实验室培养的细菌开展的实验中，来自美国约翰霍普金斯大学的研究人员发现了证据，表明广泛使用的基因切割系统CRISPR-Cas9还有另一种作用---作为CRISPR-Cas9基因的自我调节开关。它调低或调弱CRISPR-Cas9活性的作用，可能会帮助科学家们开发出用于研究目的的细胞基因工程新方法。相关研究结果于2021年1月8日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“A natural single-guide RNA repurposes Cas9 to autoregulate CRISPR-Cas expression”。

科学家们长期以来一直致力于解开CRISPR-Cas9作用机制的精确步骤，以及它在细菌中的活性如何被调高或调低。这些研究人员在寻找激活或抑制酿脓链球菌CRISPR-Cas9基因切割系统的基因时，发现了这一系统如何运作的线索。

具体来说，这些研究人员在CRISPR-Cas9系统中发现了一个基因，当失活后，它会导致这种基因编辑系统在细菌中的活性急剧增加。这个基因的产物似乎是对Cas9进行重新编程，使其作为刹车（brake）起作用，而不是“剪刀”，以调低CRISPR系统的活性。

3.PNAS：动物模型揭示GPI锚定缺陷
doi:10.1073/pnas.2014481118

智力受损，运动障碍和发育迟缓是GPI蛋白缺陷导致的罕见疾病的典型表现。波恩大学和马克斯·普朗克分子遗传学研究所的研究人员使用基因工程方法制造了一种很好地模仿这些患者的小鼠。在该动物模型中的研究表明，在GPI锚定蛋白缺陷中，基因突变会损害大脑突触中刺激的传递。这些结果现已发表在《PNAS》杂志上。

就像船只在风暴和海浪中锚定在海底一样，GPI锚定（GPI =糖基磷脂酰肌醇）可以确保特殊的蛋白质可以保留在活细胞的外部。如果GPI锚因基因突变而无法正常运行，则会破坏细胞之间的信号传递和运输。波恩大学医院基因组统计和生物信息学研究所的Peter Krawitz教授解释说：“ GPI锚缺陷包括一组主要导致智力缺陷和发育迟缓的罕见疾病” 。

在大多数欧洲患者中发现了PIGV基因的突变。它编码一种对于GPI锚合成至关重要的酶。麦克斯-普朗克分子遗传研究所的研究人员及其同事使用CRISPR-Cas9基因编辑技术，根据患者模型对小鼠的PIGV基因进行了修饰。慈善机构医学遗传学和人类遗传学研究所的Miguel Rodríguezde los Santos说：“大量的行为测试表明，这种小鼠模型非常接近地反映了人类观察到的疾病。”

4.Science子刊：我国科学家基于全基因组筛选鉴定出促进细胞衰老的基因KAT7
doi:10.1126/scitranslmed.abd2655

在一项新的研究中，来自中国科学院、中国科学院大学、北京大学和首都医科大学宣武医院的研究人员使用两种类型的表现出加速衰老的人间充质前体细胞（hMPC）进行了基于CRISPR-Cas9的全基因组筛选。这两种hMPC分别源自携带导致加速衰老的疾病沃纳综合征（Werner syndrome）和早年衰老综合症（Hutchinson-Gilford progeria syndrome）的致病突变的人胚胎干细胞。相关研究结果发表在2021年1月6日的Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“A genome-wide CRISPR-based screen identifies KAT7 as a driver of cellular senescence”。

这些作者鉴定出缺失后可减轻细胞衰老的基因，包括KAT7。KAT7编码一种组蛋白乙酰转移酶，在这两种早衰hMPC模型中排名最高。 KAT7的失活降低了组蛋白H3赖氨酸的乙酰化，抑制了p15INK4b的转录，缓解了hMPC衰老。此外，静脉给予编码Cas9/sg-Kat7的慢病毒载体，可减轻生理衰老小鼠以及表现出早衰表型的早衰性Zmpste24-/-小鼠的肝细胞衰老和肝脏老化，延长寿命。

5.Nature:基因编辑技术用于治疗早衰
doi:10.1038/s41586-020-03086-7

在最近一项研究中，研究人员成功地使用了DNA编辑技术，以延长与早衰相关的遗传变异的小鼠的寿命，早衰是一种罕见的遗传疾病，会导致儿童极端过早衰老，并可能大大缩短其预期寿命。该研究发表在《Nature》杂志上。

图片来源：Www.pixabay.com。

早衰症，也称为Hutchinson-Gilford早衰综合症，是由核纤层蛋白A（LMNA）基因的突变引起的，其中一个DNA碱基C改变为T。这种改变会增加有毒蛋白质progerin的产生，从而导致快速老化过程。

在这项研究中，研究人员使用了一种突破性的DNA编辑技术，该技术将单个DNA字母替换为另一个DNA字母而不损坏DNA，并且进一步研究改变这种突变可能如何影响小鼠早衰症状。

为了测试其碱基编辑方法的有效性，该团队最初与Progeria研究基金会合作，从早衰患者那里获得结缔组织细胞。该小组在实验室设置中使用了患者细胞内LMNA基因的基础编辑器。该治疗方法可修复90％的细胞中的突变。

6.Viruses：基因编辑蚊子有助于阻止寨卡病毒传播
doi:10.3390/v12111231

目前，一种预防寨卡病毒传播的方法已获得美国环境保护署（EPA）的批准，该方法将在2021年和2022年向佛罗里达礁岛释放超过7.5亿只经过基因改造的蚊子。这些“自杀性蚊子”经过基因改变，无法产生后代，或其后代无法存活到成年阶段，因此丧失了传播疾病的能力。但是，清除后代蚊子可能会导致环境复杂化，例如可能破坏食物链。密苏里大学的一项新研究提供了另一种选择：对蚊子进行基因改造以使其完全抵抗寨卡病毒。

密苏里大学兽医学院副教授Alexander Franz通过使用CRISPR基因编辑技术与科罗拉多州立大学的研究人员合作，产生了寨卡病毒无法在其体内复制的蚊子，因此无法通过咬人感染人类。

Franz说：“我们通过将人工基因插入到它们的基因组中，从而触发了一种免疫途径来识别和破坏寨卡病毒的RNA基因组。通过开发这些对病毒具有抵抗力的蚊子，疾病传播链条被阻断，因此不再可能传播给人类。”

Franz补充说，这种基因修饰是可遗传的，因此后代蚊子也将对寨卡病毒产生抗性。

7.AJHG：研究揭示林奇综合征背后的基因突变
doi:10.1016/j.ajhg.2020.12.003

大肠癌是第三大最常见的癌症形式。尽管90％的病例在50岁以上的人群中，但年轻人中仍有较高的发病率，其中原因仍无法解释。家族病史是发展大肠癌的高危因素之一，通常建议具有此类病史的人比建议的45岁年龄进行更频繁的筛查测试或开始筛查。具有癌症家族病史的人通常通过基因检测来寻找与癌症风险相关的突变。但是，这些测试并不总能够提供有用的信息。

在《American Journal of Human Genetics》杂志上的一篇新论文中，密歇根州医学部人类遗传学系的Jacob Kitzman博士和一组合作者描述了一种筛选所谓的遗传变异体的方法，该变异体在人类希望找出可能导致疾病的突变。为此，他们参考了一种称为Lynch综合征的遗传病，也称为遗传性非息肉性结直肠癌。像BRCA1一样，林奇综合征背后的一些基因也得到了很好的描述。但是，“与Lynch综合征相关的基因中可能存在的遗传变异，对此科学家们基本上一无所知，” Kitzman说。

研究小组使用一种称为深度突变扫描的技术，着手测量基因MSH2中突变的影响，该基因突变是Lynch综合征的主要原因之一。他们使用CRISPR-Cas技术从人细胞中删除了MSH2的正常副本，并用MSH2基因中每个可能突变的文库代替了它。这产生了细胞混合物，其中每个细胞都携带一个独特的MSH2突变。用称为6-硫代鸟嘌呤的药物处理该细胞群，该化学疗法仅杀死具有MSH2功能变体的细胞。（生物谷 Bioon.com）