發(fā)布日期：2017-12-08

今日，Salk研究所的科學(xué)家們帶來了一項重量級研究——他們開發(fā)了一種全新的CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù)，能在不切開DNA的前提下，對基因進行激活。這有望規(guī)避目前基因編輯技術(shù)的主要瓶頸，帶來全新的應(yīng)用。這項重磅研究今日發(fā)表在了頂尖學(xué)術(shù)刊物《Cell》上。

該研究的兩名共同第一作者Hsin-Kai Liao博士（左）與Fumiyuki Hatanaka博士（右），以及該研究的主要負責(zé)人Juan Carlos Izpisua Belmonte教授（圖片來源：Salk Institute）

近年來，CRISPR-Cas9系統(tǒng)是人們關(guān)注的焦點。這種突破性的技術(shù)能在DNA的目標(biāo)區(qū)域上切開一個口子，形成“雙鏈斷裂”，從而插入或刪除特定的基因。但由于DNA是人類儲存遺傳信息的關(guān)鍵藍圖，這種在“源代碼”上動刀的做法，也引起了安全性上的不少擔(dān)憂。

“盡管許多研究表明CRISPR-Cas9是基因療法中的有效工具，依舊有不少人擔(dān)心它會通過雙鏈DNA斷裂，帶來不想要的突變，”該研究的主要負責(zé)人Juan Carlos Izpisua Belmonte教授說道：“我們能避免這樣的擔(dān)憂。”

研究人員對CRISPR-Cas9系統(tǒng)進行了精妙的改造。在通常的CRISPR-Cas9系統(tǒng)里，Cas9蛋白在gRNA的引導(dǎo)下，能靶向基因組的特定區(qū)域，造成雙鏈DNA斷裂。最近，一些科學(xué)家們也開發(fā)出了一些新系統(tǒng)，里頭的Cas9蛋白不具備“剪切”功能（失活）。這些Cas9蛋白雖然能結(jié)合到基因組上的特定位置，但不會造成雙鏈DNA斷裂。于是，科學(xué)家們把這些蛋白和另一些能影響基因表達的“分子開關(guān)蛋白”融合到一塊，讓它們扮演類似轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白的作用，定點啟動特定的基因。這一系統(tǒng)雖然富有創(chuàng)意，但在實際應(yīng)用上卻遭遇了瓶頸——這些融合蛋白的尺寸太大了，很難用常規(guī)的腺相關(guān)病毒（AAV）遞送到生物體內(nèi)。由于缺乏有效的遞送方法，它的應(yīng)用前景也大打折扣。

Izpisua Belmonte教授團隊的研究思路（圖片來源：《細胞》）

Izpisua Belmonte教授的團隊則另辟蹊徑。通過篩選大量的組合，他們找到了一種無需將分子開關(guān)與Cas9蛋白（無論失活還是不失活）融合在一起，就能起作用的方法。利用不同的腺相關(guān)病毒遞送載體，研究人員可以分批把Cas9蛋白、分子開關(guān)、以及gRNA遞送到細胞內(nèi)，并確保它們能正常工作。

“這些不同的組分能一道在生物體內(nèi)起作用，影響內(nèi)源基因。”該研究的共同第一作者Hsin-Kai Liao博士說道。從某種意義上講，這套新系統(tǒng)從“表觀”上影響基因的活性，而不會改變DNA序列。

這套系統(tǒng)能在小鼠的多個器官里起作用（圖片來源：《細胞》）

這套系統(tǒng)的效果在小鼠實驗中得到了驗證。研究人員們建立了急性腎損傷、1型糖尿病、以及一類肌營養(yǎng)不良的小鼠模型。在每一種模型里，他們都設(shè)計了一款CRISPR-Cas9表觀激活系統(tǒng)，提高特定內(nèi)源基因的表達。在急性腎損傷的模型中，研究人員期望表達的2條基因果然得到了激活，產(chǎn)生了大量相關(guān)蛋白。小鼠的腎功能也有所改善；在1型糖尿病的模型里，研究人員們成功激活了一條能催生胰島素制造細胞的基因，幫助小鼠降低了血糖水平；在最后一個肌營養(yǎng)不良的模型中，一些先前被確認可以逆轉(zhuǎn)病情的基因被激活。這些結(jié)果彰顯了這套系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用前景。

“我們非常高興能在小鼠里看到這些結(jié)果，”該研究的另一名共同第一作者Fumiyuki Hatanaka博士說道：“我們能誘導(dǎo)基因激活，并同時看到生理變化。”

按計劃，Izpisua Belmonte教授的團隊將進一步提高這套系統(tǒng)的特異性，并應(yīng)用到更多類型的細胞和器官中，治療廣泛的人類疾病。

來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯