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Nature:开发出Cas9-MMEJ可编程基因编辑方法,有望治疗143种由DNA微重复引起的疾病

来源:本站原创 2019-04-25 15:03

2019年4月25日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自美国马萨诸塞大学医学院的研究人员开发出一种利用CRISPR-Cas9和一种很少使用的DNA修复途径编辑和修复一种特定类型的与微重复(microduplication)相关的基因突变。这种可编程基因编辑方法克服了之前在基因校正中所遭遇的低效率。相关研究结果于2019年4月3日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Precise therapeutic gene correction by a simple nuclease-induced double-stranded break”。

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

论文共同通讯作者、马萨诸塞大学医学院分子、细胞与癌症生物学教授Scot A. Wolfe博士说,“这就像击中重置按钮(reset button)一样。我们不需要添加任何校正性的遗传物质,而是细胞将DNA重新拼接在一起,并移除微重复。这是基因校正的捷径,具有潜在的治疗吸引力。”

微重复是染色体发生变化而使得 DNA上的小片段被拷贝或复制。在某些基因中,当添加的核苷酸数量不能被3整除时,这些微重复就能够导致所谓的“移码突变”。这改变了基因向蛋白的翻译,从而导致功能丧失。由微重复引起的移码突变导致多达143种不同的疾病,包括肢带肌营养不良(limb-girdle muscular dystrophy)、赫曼斯基-普德拉克综合征(Hermansky-Pudlak syndrome)和家族黑蒙性白痴病(Tay-Sachs)。

Wolfe博士是CRISPR-Cas9和其他基于可编程核酸酶的基因编辑方法的专家。大多数这些技术都需要在缺陷基因处产生DNA链断裂并引入校正性的遗传物质。将新序列插入到DNA断裂中,并通过在细胞中发现的一种称为同源介导修复(homology-directed repair, HDR)的的先天性DNA修复机制进行修复。尽管在治疗上有希望,但是这种校正基因的方法是低效的并且具有其他的技术挑战。

Wolfe和论文共同通讯作者、马萨诸塞大学医学院威尔斯通肌肉营养不良中心主任、神经学教授Charles P Emerson Jr.博士认为可能存在更为直接的方法来校正由微重复引起的疾病。他们推断如果微同源介导的末端连接(microhomology-mediated end joining, MMEJ)途径可以被有效利用,而不是利用同源介导修复途径,它将会移除重复序列并恢复基因的功能序列。

与其他的细胞修复机制相比,MMEJ途径的效率更低,也更稀有。MMEJ途径通常会导致DNA断裂处的两侧发生缺失,而且MMEJ途径只负责一小部分DNA修复---据一些估计,不到10%的DNA修复。

Emerson博士有一个很有希望的疾病目标,用于评估这种编辑方法的可行性---由TCAP基因中的微重复引起的2G型肢带肌营养不良(LGMD2G)。Emerson实验室和Wolfe实验室构建的酿脓链球菌Cas9核酸酶(Strestococcus pyogenes Cas9, SpCas9)靶向TCAP基因的微重复中心附近的DNA断裂。他们接着利用SpCas9处理了源自LGMD2G患者的多能性干细胞。正如他们预测的那样,MMEJ修复机制移除了这种微重复的一个拷贝---有效地将DNA重新拼接在一起,拼接效率非常高,因而去除了突变的遗传物质并让这个基因得到恢复,从而能够产生正常的TCAP蛋白。

Emerson说,“对TCAP基因微重复进行基因编辑的简单性和高效性是一个非常激动人心的发现时刻,这就为当前无法治疗的LGMD2G开发一种治疗方法提供了一个独特的机会,这已成为我们的近期目标。”

有多少种由微重复引起的疾病可能利用MMEJ核酸酶基因编辑加以治疗呢?通过与马萨诸塞大学医学院儿科副教授Christian Mueller博士合作,这些研究人员证实与赫曼斯基-普德拉克综合征1型相关的HPS1基因中的微重复能够在患者细胞中加以校正。马萨诸塞大学医学院神经学助理教授Oliver King博士随后开发出计算方法来搜索人类基因组数据库,鉴定出143种与微重复相关的疾病可能能够利用他们的Cas9-MMEJ方法加以治疗。

Wolfe说,“从这样一个平常的开始,我们相信这种基于MMEJ的治疗策略的简单性、可靠性和有效性可能允许为许多当前无法治疗的疾病开发出基于核酸酶的基因校正疗法。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Sukanya Iyer et al. Precise therapeutic gene correction by a simple nuclease-induced double-stranded break, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1076-8.
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