2020年11月CRISPR/Cas研究进展
来源：本站原创 2020-11-30 23:41
2020年11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。今年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
2020年11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。今年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。
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11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.解读！科学家开发出一种安全更具靶向性的方法来运输CRISPR基因疗法！
doi:10.1021/acsami.0c16380
近日，一篇发表在国际杂志ACS applied Materials & Interfaces上题为“Spatial and Temporal Control of CRISPR-Cas9-Mediated Gene Editing Delivered via a Light-Triggered Liposome System”的研究报告中，来自新南威尔士大学等机构的科学家们通过研究揭示了一种安全且更具靶向性的方法来运输CRISPR基因疗法，研究者指出，这种光激活的脂质体能够帮助运输CRISPR基因疗法，而且相比当前方法而言，这种方法更加安全且直接。
研究者发现，通常在药理学中用于包裹药物或基因的脂质体能被光记过从而在机体特定部位释放“货物”；本文研究是研究人员在细胞系和动物模型中得到的结果，后期他们还需要进一步研究来检测并在人类机体中证实这种方法的可靠性。截至目前为止，CRISPR基因疗法已经能够使用CRISPR分子装载的病毒在机体中移动来寻找靶向细胞了。尽管该技术被证明具有革命性的意义，但由于其存在潜在的不良免疫反应和毒性效应，使用病毒作为载体似乎并不太理想。
2.Science子刊：重大突破！首次利用CRISPR/Cas9基因组编辑系统在体内破坏癌细胞
doi:10.1126/sciadv.abc9450
在一项新的研究中，来自以色列特拉维夫大学等研究机构的研究人员证实CRISPR/Cas9系统在治疗转移性癌症方面非常有效，这是在寻找癌症治愈方法的道路上迈出的重要一步。他们开发出一种基于脂质纳米颗粒的新型递送系统，该递送系统专门针对癌细胞，并通过基因操纵破坏它们。这种称为CRISPR-LNP的递送系统携带一种编码Cas9的信使RNA（mRNA），其中Cas9作为分子剪刀切割细胞中的DNA。相关研究结果发表在2020年11月18日的Science Advances期刊上，论文标题为“CRISPR-Cas9 genome editing using targeted lipid nanoparticles for cancer therapy”。论文通讯作者为特拉维夫大学史姆尼斯生物医学与癌症研究学院精密纳米医学实验室研发副总裁Dan Peer教授。
Peer教授说，“这是世界上第一个证明CRISPR基因组编辑系统可以在活体动物中有效治疗癌症的研究。必须强调的是，这不是化疗。没有任何副作用，用这种方法治疗的癌细胞将永远不会再活跃起来。Cas9的分子剪刀剪断了癌细胞的DNA，从而永久地阻止了它们的复制。”
为了研究利用这种技术治疗癌症的可行性，Peer教授和他的团队选择了两种最致命的癌症：胶质母细胞瘤和转移性卵巢癌。胶质母细胞瘤是最具侵略性的脑癌类型，确诊后的预期寿命为15个月，5年生存率仅为3%。这些研究人员证明，用CRISPR-LNP进行一次治疗，胶质母细胞瘤小鼠的平均寿命就会延长一倍，总体生存率提高约30%。
3.Human Gene Therapy：肝脏再生促进基因修复
doi:10.1089/hum.2020.042
根据最近发表的一项研究，使用甲状腺激素促进肝细胞增殖提高了小鼠肝脏中CRISPR / Cas9介导的基因编辑的效率。相关结果发表在《Human Gene Therapy》杂志上。研究表明，这种饮食诱导的肝细胞再生可能是增强肝脏基因修复的可行临床策略。
这项研究是在1型酪氨酸血症小鼠模型中完成的。“在新生小鼠中，获得了大约10.8％的肝细胞基因校正频率，”俄勒冈健康与科学大学的作者Qingshuo Zhang说。 “成年小鼠的效率显著降低，大约为1.6％。”
4.Science：重大进展！利用新开发的CRISPR-LICHT技术筛选出决定人类大脑大小的基因
doi:10.1126/science.abb5390
在果蝇和线虫身上可以常规地进行遗传筛选。在人类中，存在着丰富的关于遗传病和疾病相关突变后果的知识，但对人类进行系统性分析是不可能的。如今，在一项新的研究中，来自奥地利维也纳生物中心（Vienna BioCenter）、维也纳大学和维也纳医科大学的研究人 员开发出一种突破性的技术，这种技术允许在人类组织中并行分析数百个基因。他们将这种新技术命名为CRISPR-LICHT。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“A human tissue screen identifies a regulator of ER secretion as a brain size determinant”。
论文共同第一作者、IMBA博士生Dominik Lindenhofer解释说，“这种技术是基于众所周知的在2020年10月获得诺贝尔奖的CRISPR-Cas9技术和双条码方法的结合。关键的技巧是使用向导RNA（gRNA），同时也使用一种基因条形码，即我们添加到用来培养类器官的细胞基因 组中的DNA片段。这让我们可以看到每个类器官的完整细胞谱系，而第二种条形码让我们可以计算每个起始细胞产生的细胞数量。这降低了噪音，因此我们可以确定每种gRNA对类器官生长过程中产生的细胞数量的影响。为了描述我们的方法，我们将之称为CRISPR-LICHT（ CRIPSR-Lineage Tracing at Cellular resolution in Heterogenous Tissue，利用CRipsR在异质组织中进行细胞分辨率下的谱系追踪）。”
这些研究人员将CRISPR-LICHT应用于小头畸形（microcephaly），即一种以患者大脑尺寸缩小和严重智力障碍为典型特征的遗传性疾病。通过这种革命性的新技术，他们筛选出了所有疑似在这种疾病中发挥作用的基因。
5.Cell解读！科学家们真能利用CRISPR/Cas9技术来纠正人类胚胎中的突变？或许为时尚早！
doi:10.1016/j.cell.2020.10.025
近日，一篇刊登在国际杂志Cell上题为“Allele-Specific Chromosome Removal after Cas9 Cleavage in Human Embryos”的研究报告中，来自哥伦比亚大学等机构的科学家们通过研究描述了CRISPR基因编辑技术对人类胚胎中基因进行编辑后所出现的意想不到的不良结果。
对人类胚胎中致病基因突变的修正或许有望减少人类遗传性疾病的负担，并能改善携带致病性突变夫妇的生育疗法（以此能代替对胚胎的选择），这项研究中，研究人员评估了在父源性染色体EYS位点上引入Cas9诱导的双链断裂（DSB）所产生的修复结果，EYS位点携带有一种会诱发失明的移码突变（frameshift mutation），研究者发现，最常见的修复结局都是微同源性介导的末端连接，而该过程发生在胚胎发育的第一个细胞周期中，其会导致胚胎出现读码阅读框的非镶嵌型修复，而值得注意的是，大约一半的断裂并不会被修复，从而就会产生未检测到的父源性等位基因的出现，且会在优势分裂后失去一条或两条染色体臂。相应地，Cas9脱靶的断裂则会导致染色体丢失及半合子不整合的出现（因为两个等位基因发生了断裂），相关研究结果揭示了科学家操控染色体内容物的能力，同时也提出了修正人类胚胎中突变所面临的重大挑战。
6.Cell：通过CRISPR筛选鉴定出抵抗新冠病毒感染的基因和药物靶标
doi:10.1016/j.cell.2020.10.030
在一项新的研究中，为了确定SARS-CoV-2的新的潜在治疗靶点，来自美国纽约大学、纽约基因组中心和西奈山伊坎医学院等研究机构的研究人员进行了全基因组范围内的功能缺失CRISPR筛选，以便系统地敲除人类基因组中的基因。他们研究了哪些基因修饰使得人肺细胞对SARS-CoV-2感染更具抵抗力。他们的研究结果揭示了人类基因组中的哪些基因和基因调控网络是SARS-CoV-2感染所需的，抑制这些基因赋予了对这种冠状病毒感染的抵抗力。他们描述了一系列以前没有被认为是SARS-CoV-2治疗靶点的基因。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Identification of required host factors for SARS-CoV-2 infection in human cells”。
为了更好地理解宿主和病毒遗传依赖性之间的复杂关系，这些作者使用了一系列分析和实验方法来验证他们的结果。这种综合方法包括基因组编辑、单细胞测序、共聚焦成像以及基因表达和蛋白质组数据集的计算分析。他们发现，这些新的基因靶点在使用小分子（药物）加以抑制后，可显著降低病毒载量，其中的有些药物降低病毒载量高达1000倍。他们的研究结果为可能开发有效治疗COVID-19的新型药物提供了重要见解，并揭示它们的分子靶点。
7.Cell：全基因组CRISPR筛选鉴定出对新冠病毒感染至关重要的宿主因子
doi:10.1016/j.cell.2020.10.028
在一项新的研究中，来自美国耶鲁大学和布罗德研究所等研究机构的研究人员对暴露于SARS-CoV-2和MERS-CoV冠状病毒的数亿个细胞进行了筛选，鉴定出几十个能使这两种病毒在细胞中复制的基因，也鉴定出一些似乎抑制这些病毒的基因。他们表示，这些基因的促病毒作用和抗病毒作用将有助于指导科学家们开发新的疗法来对抗COVID-19。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Genome-wide CRISPR screens reveal host factors critical for SARS-CoV-2 infection”。
在这项新的研究中，这些研究人员对绿猴细胞进行了全基因组CRISPR筛选，其中与常用的人类细胞系相比，绿猴细胞在暴露于SARS-CoV-2后更容易死亡。这种筛选首次允许他们同时跟踪病毒和细胞之间的相互作用。这种筛选证实了早先的发现，即编码细胞表面受体的ACE-2基因能促进SARS-CoV-2感染宿主细胞。
然而，这种筛选还发现了两种新的促病毒蛋白复合物和第三种似乎有助于阻止感染的蛋白复合物。他们发现，能开启和关闭基因的SWI/SNF复合物和具有包括调节炎症在内的许多功能的HMGB1与感染后细胞死亡增加有关。
这些研究人员随后加入了抑制已发现的这两种基因产物功能的小分子药物，并发现它们可以增加培养皿中的细胞在感染后的存活率。相比之下，有助于调节细胞核内基因表达的组蛋白H3复合物似乎提供了一种保护作用，这会抑制SARS-CoV-2感染和杀死细胞的能力。（生物谷 Bioon.com）
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)。
即将过去的11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.解读！科学家开发出一种安全更具靶向性的方法来运输CRISPR基因疗法！
doi:10.1021/acsami.0c16380
近日，一篇发表在国际杂志ACS applied Materials & Interfaces上题为“Spatial and Temporal Control of CRISPR-Cas9-Mediated Gene Editing Delivered via a Light-Triggered Liposome System”的研究报告中，来自新南威尔士大学等机构的科学家们通过研究揭示了一种安全且更具靶向性的方法来运输CRISPR基因疗法，研究者指出，这种光激活的脂质体能够帮助运输CRISPR基因疗法，而且相比当前方法而言，这种方法更加安全且直接。
研究者发现，通常在药理学中用于包裹药物或基因的脂质体能被光记过从而在机体特定部位释放“货物”；本文研究是研究人员在细胞系和动物模型中得到的结果，后期他们还需要进一步研究来检测并在人类机体中证实这种方法的可靠性。截至目前为止，CRISPR基因疗法已经能够使用CRISPR分子装载的病毒在机体中移动来寻找靶向细胞了。尽管该技术被证明具有革命性的意义，但由于其存在潜在的不良免疫反应和毒性效应，使用病毒作为载体似乎并不太理想。
2.Science子刊：重大突破！首次利用CRISPR/Cas9基因组编辑系统在体内破坏癌细胞
doi:10.1126/sciadv.abc9450
在一项新的研究中，来自以色列特拉维夫大学等研究机构的研究人员证实CRISPR/Cas9系统在治疗转移性癌症方面非常有效，这是在寻找癌症治愈方法的道路上迈出的重要一步。他们开发出一种基于脂质纳米颗粒的新型递送系统，该递送系统专门针对癌细胞，并通过基因操纵破坏它们。这种称为CRISPR-LNP的递送系统携带一种编码Cas9的信使RNA（mRNA），其中Cas9作为分子剪刀切割细胞中的DNA。相关研究结果发表在2020年11月18日的Science Advances期刊上，论文标题为“CRISPR-Cas9 genome editing using targeted lipid nanoparticles for cancer therapy”。论文通讯作者为特拉维夫大学史姆尼斯生物医学与癌症研究学院精密纳米医学实验室研发副总裁Dan Peer教授。
设计和构建CRISPR-LNP，图片来自Science Advances, 2020, doi:10.1126/sciadv.abc9450。
Peer教授说，“这是世界上第一个证明CRISPR基因组编辑系统可以在活体动物中有效治疗癌症的研究。必须强调的是，这不是化疗。没有任何副作用，用这种方法治疗的癌细胞将永远不会再活跃起来。Cas9的分子剪刀剪断了癌细胞的DNA，从而永久地阻止了它们的复制。”
为了研究利用这种技术治疗癌症的可行性，Peer教授和他的团队选择了两种最致命的癌症：胶质母细胞瘤和转移性卵巢癌。胶质母细胞瘤是最具侵略性的脑癌类型，确诊后的预期寿命为15个月，5年生存率仅为3%。这些研究人员证明，用CRISPR-LNP进行一次治疗，胶质母细胞瘤小鼠的平均寿命就会延长一倍，总体生存率提高约30%。
3.Human Gene Therapy：肝脏再生促进基因修复
doi:10.1089/hum.2020.042
根据最近发表的一项研究，使用甲状腺激素促进肝细胞增殖提高了小鼠肝脏中CRISPR / Cas9介导的基因编辑的效率。相关结果发表在《Human Gene Therapy》杂志上。研究表明，这种饮食诱导的肝细胞再生可能是增强肝脏基因修复的可行临床策略。
这项研究是在1型酪氨酸血症小鼠模型中完成的。“在新生小鼠中，获得了大约10.8％的肝细胞基因校正频率，”俄勒冈健康与科学大学的作者Qingshuo Zhang说。 “成年小鼠的效率显著降低，大约为1.6％。”
4.Science：重大进展！利用新开发的CRISPR-LICHT技术筛选出决定人类大脑大小的基因
doi:10.1126/science.abb5390
在果蝇和线虫身上可以常规地进行遗传筛选。在人类中，存在着丰富的关于遗传病和疾病相关突变后果的知识，但对人类进行系统性分析是不可能的。如今，在一项新的研究中，来自奥地利维也纳生物中心（Vienna BioCenter）、维也纳大学和维也纳医科大学的研究人 员开发出一种突破性的技术，这种技术允许在人类组织中并行分析数百个基因。他们将这种新技术命名为CRISPR-LICHT。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“A human tissue screen identifies a regulator of ER secretion as a brain size determinant”。
论文共同第一作者、IMBA博士生Dominik Lindenhofer解释说，“这种技术是基于众所周知的在2020年10月获得诺贝尔奖的CRISPR-Cas9技术和双条码方法的结合。关键的技巧是使用向导RNA（gRNA），同时也使用一种基因条形码，即我们添加到用来培养类器官的细胞基因 组中的DNA片段。这让我们可以看到每个类器官的完整细胞谱系，而第二种条形码让我们可以计算每个起始细胞产生的细胞数量。这降低了噪音，因此我们可以确定每种gRNA对类器官生长过程中产生的细胞数量的影响。为了描述我们的方法，我们将之称为CRISPR-LICHT（ CRIPSR-Lineage Tracing at Cellular resolution in Heterogenous Tissue，利用CRipsR在异质组织中进行细胞分辨率下的谱系追踪）。”
这些研究人员将CRISPR-LICHT应用于小头畸形（microcephaly），即一种以患者大脑尺寸缩小和严重智力障碍为典型特征的遗传性疾病。通过这种革命性的新技术，他们筛选出了所有疑似在这种疾病中发挥作用的基因。
5.Cell解读！科学家们真能利用CRISPR/Cas9技术来纠正人类胚胎中的突变？或许为时尚早！
doi:10.1016/j.cell.2020.10.025
近日，一篇刊登在国际杂志Cell上题为“Allele-Specific Chromosome Removal after Cas9 Cleavage in Human Embryos”的研究报告中，来自哥伦比亚大学等机构的科学家们通过研究描述了CRISPR基因编辑技术对人类胚胎中基因进行编辑后所出现的意想不到的不良结果。
对人类胚胎中致病基因突变的修正或许有望减少人类遗传性疾病的负担，并能改善携带致病性突变夫妇的生育疗法（以此能代替对胚胎的选择），这项研究中，研究人员评估了在父源性染色体EYS位点上引入Cas9诱导的双链断裂（DSB）所产生的修复结果，EYS位点携带有一种会诱发失明的移码突变（frameshift mutation），研究者发现，最常见的修复结局都是微同源性介导的末端连接，而该过程发生在胚胎发育的第一个细胞周期中，其会导致胚胎出现读码阅读框的非镶嵌型修复，而值得注意的是，大约一半的断裂并不会被修复，从而就会产生未检测到的父源性等位基因的出现，且会在优势分裂后失去一条或两条染色体臂。相应地，Cas9脱靶的断裂则会导致染色体丢失及半合子不整合的出现（因为两个等位基因发生了断裂），相关研究结果揭示了科学家操控染色体内容物的能力，同时也提出了修正人类胚胎中突变所面临的重大挑战。
6.Cell：通过CRISPR筛选鉴定出抵抗新冠病毒感染的基因和药物靶标
doi:10.1016/j.cell.2020.10.030
在一项新的研究中，为了确定SARS-CoV-2的新的潜在治疗靶点，来自美国纽约大学、纽约基因组中心和西奈山伊坎医学院等研究机构的研究人员进行了全基因组范围内的功能缺失CRISPR筛选，以便系统地敲除人类基因组中的基因。他们研究了哪些基因修饰使得人肺细胞对SARS-CoV-2感染更具抵抗力。他们的研究结果揭示了人类基因组中的哪些基因和基因调控网络是SARS-CoV-2感染所需的，抑制这些基因赋予了对这种冠状病毒感染的抵抗力。他们描述了一系列以前没有被认为是SARS-CoV-2治疗靶点的基因。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Identification of required host factors for SARS-CoV-2 infection in human cells”。
为了更好地理解宿主和病毒遗传依赖性之间的复杂关系，这些作者使用了一系列分析和实验方法来验证他们的结果。这种综合方法包括基因组编辑、单细胞测序、共聚焦成像以及基因表达和蛋白质组数据集的计算分析。他们发现，这些新的基因靶点在使用小分子（药物）加以抑制后，可显著降低病毒载量，其中的有些药物降低病毒载量高达1000倍。他们的研究结果为可能开发有效治疗COVID-19的新型药物提供了重要见解，并揭示它们的分子靶点。
7.Cell：全基因组CRISPR筛选鉴定出对新冠病毒感染至关重要的宿主因子
doi:10.1016/j.cell.2020.10.028
在一项新的研究中，来自美国耶鲁大学和布罗德研究所等研究机构的研究人员对暴露于SARS-CoV-2和MERS-CoV冠状病毒的数亿个细胞进行了筛选，鉴定出几十个能使这两种病毒在细胞中复制的基因，也鉴定出一些似乎抑制这些病毒的基因。他们表示，这些基因的促病毒作用和抗病毒作用将有助于指导科学家们开发新的疗法来对抗COVID-19。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Genome-wide CRISPR screens reveal host factors critical for SARS-CoV-2 infection”。
图片来自NIH。
在这项新的研究中，这些研究人员对绿猴细胞进行了全基因组CRISPR筛选，其中与常用的人类细胞系相比，绿猴细胞在暴露于SARS-CoV-2后更容易死亡。这种筛选首次允许他们同时跟踪病毒和细胞之间的相互作用。这种筛选证实了早先的发现，即编码细胞表面受体的ACE-2基因能促进SARS-CoV-2感染宿主细胞。
然而，这种筛选还发现了两种新的促病毒蛋白复合物和第三种似乎有助于阻止感染的蛋白复合物。他们发现，能开启和关闭基因的SWI/SNF复合物和具有包括调节炎症在内的许多功能的HMGB1与感染后细胞死亡增加有关。
这些研究人员随后加入了抑制已发现的这两种基因产物功能的小分子药物，并发现它们可以增加培养皿中的细胞在感染后的存活率。相比之下，有助于调节细胞核内基因表达的组蛋白H3复合物似乎提供了一种保护作用，这会抑制SARS-CoV-2感染和杀死细胞的能力。（生物谷 Bioon.com）
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