(細菌則利用CRISPR系統可以將病毒基因從自己的染色體上清除)
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?導讀
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?最近，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家在采用基因編輯技術(shù)治療危及生命的嚴重疾病例如癌癥、艾滋病和亨廷頓氏舞蹈病方面，邁出了至關(guān)重要的一步。他們開(kāi)發(fā)出的新技術(shù)能夠檢查出目前廣泛使用的基因編輯工具CRISPR 的編輯錯誤。
關(guān)鍵字
基因、芯片、健康
背景
也許，很多人都在期盼肥胖、禿頂等影響形象的疾病消失，癌癥、艾滋病、乙肝等“不治之癥”也能得以治愈。這有可能嗎？這一切聽(tīng)起來(lái)都有點(diǎn)像科幻小說(shuō)。然而，一項前沿的生物科技有望讓這一切變?yōu)楝F實(shí)，它就是基因編輯技術(shù)。
基因編輯技術(shù)，顧名思義，就是指對目標基因進(jìn)行“編輯”，實(shí)現對于特定基因片段的刪除、插入或重寫(xiě)等操作。這種技術(shù)有望將艾滋病毒從細胞基因組里清除，從根本上治療艾滋病。同樣，它也有望通過(guò)對于錯誤的基因進(jìn)行修改，治療癌癥、肥胖等由于環(huán)境和遺傳因素引起的疾病。
較為典型的基因編輯技術(shù)有 ZFN （zinc-finger nucleases）和 TALEN （transcription activator-like effector nucleases）為代表的序列特異性核酸酶技術(shù)。
（圖片來(lái)源：維基百科）
另外還有一項更加高效、簡(jiǎn)易的基因編輯技術(shù)，它就是CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），也被稱(chēng)為規律成簇間隔短回文重復。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一種基因編輯器，是細菌用來(lái)對抗病毒、保護自己的系統。病毒在入侵時(shí)會(huì )將自己的基因整合到細菌中，利用細菌細胞為自己的基因復制服務(wù)，而細菌則利用CRISPR 系統，可以將病毒基因從自己的染色體上清除。
（圖片來(lái)源：維基百科）
后來(lái)，研究人員發(fā)現這種基因編輯技術(shù)，不僅可用于細菌細胞，還可用于刪除、添加、激活或抑制其他生物體的目標基因。這些目標基因包括人、老鼠、果蠅和農作細胞內的基因。
CRISPR 技術(shù)如同一把“分子剪刀”，能夠剪短DNA分子。此后，人類(lèi)就利用這類(lèi)分子剪刀在試管中“裁剪”DNA，獲取有益的DNA，用于工業(yè)生產(chǎn)，或者對基因進(jìn)行改良。
（圖片來(lái)源：Jenna Luecke and David Steadman/Univ. of Texas at Austin）
目前，科學(xué)家們已采用基因編輯工具CRISPR，去編輯幾乎所有生物體的基因代碼。同時(shí)，CRISPR 基因編輯技術(shù)也將對于人類(lèi)健康產(chǎn)生巨大影響。據報道，已有十多個(gè)臨床試驗開(kāi)始在人類(lèi)細胞上使用CRISPR，雖然這個(gè)方案并不完美。
理論上說(shuō)，基因編輯的工作方式很像利用文檔工具中的自動(dòng)糾錯功能，更正文檔中反復出現的錯誤。但是，用于查找并編輯基因的CRISPR分子-蛋白質(zhì)，有時(shí)會(huì )找錯基因，這就像自動(dòng)糾錯功能將正確拼寫(xiě)的單詞轉化成錯誤拼寫(xiě)的單詞。錯誤地編輯基因將會(huì )帶來(lái)新的問(wèn)題，例如導致健康細胞癌變。
創(chuàng )新
針對上述問(wèn)題，最近美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一項新技術(shù)，它能夠檢查出目前廣泛使用的基因編輯工具CRISPR的編輯錯誤。這項研究發(fā)表于《細胞》雜志。
這種新方法可以通過(guò)人體全基因組迅速測試CRISPR分子，從而預見(jiàn)出它與目標以外的其他DNA片段相互作用的情況。研究人員稱(chēng)，這種新方法代表邁出了標志性的一步，它將幫助醫生將基因療法應用于個(gè)別病患，確保安全性和有效性。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校分子生物科學(xué)系的助理教授、該項目的首席調研員 Ilya Finkelstein 稱(chēng)：
“你和我的基因編碼中有約一百萬(wàn)個(gè)位點(diǎn)是不同的，因為這種基因多樣性，人類(lèi)基因編輯總會(huì )是一種定制的療法?！?/p>
技術(shù)
研究人員通過(guò)DIY的方法開(kāi)發(fā)設備和軟件，并使用現有實(shí)驗室技術(shù)開(kāi)發(fā)CHAMP（Chip Hybridized Affinity Mapping Platform）“芯片雜交親和性圖譜平臺”。這項測試核心是標準的下一代基因組測序芯片，它已廣泛應用于科研和醫學(xué)。
下圖顯示Finkelstein 等開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，用于檢測CRISPR和目標以外的DNA片段之間的交互作用。它是一種標準的基因組測序玻片（又名“流動(dòng)池”），由Illumina制造。
（圖片來(lái)源：Wikimedia user Bainscou）
下圖是位于下一代測序流動(dòng)池表面之上的熒光標記的DNA 圖像。圖像由棱鏡型TIRF顯微鏡采集，并且用于CHAMP。CHAMP 是一種新型描述框架，用于高通量、定量分析蛋白質(zhì)DNA，與合成的以及染色體組的DNA之間的交互作用。
（圖片來(lái)源：Stephen K. Jones Jr./Univ. of Texas at Austin）
另外兩個(gè)關(guān)鍵的因素分別是：用于在顯微鏡下放置芯片的3D打印的底座；以及用于分析結果的開(kāi)源軟件。開(kāi)源有利于其他研究人員在CRISPR的相關(guān)實(shí)驗中，輕易復制這項技術(shù)。
價(jià)值
德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的博士后研究員、論文的領(lǐng)導作者之一 Stephen Jones 稱(chēng)：
“如果我們要采用CRISPR 提升人類(lèi)健康，那么我們需要確保最小化附帶損害，這項研究展示出了一種途徑?！?/p>
德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校分子生物科學(xué)系教授、應用研究實(shí)驗室的副總裁、論文的合著(zhù)者之一 Andy Ellington稱(chēng)，這項技術(shù)也闡明了新技術(shù)具有不可預知的副作用。Ellington 說(shuō)：
“下一代的基因組測序技術(shù)的發(fā)明是用于讀取基因，但是我們現在將這項技術(shù)推進(jìn)了一步，讓我們能夠描述CRISPR如何和基因相互作用的。富有創(chuàng )造力的人們，例如Ilya，發(fā)明了這項技術(shù)并將它拓展到新領(lǐng)域?！?/p>
這項研究也可以幫助研究人員預測出，特定的CRISPR將和哪些DNA 片段相互作用，甚至是在實(shí)際基因組上測試之前，因為他們發(fā)現了CRISPR分子選擇目標的潛規則。例如，他們發(fā)現被測試的CRISPR，也稱(chēng)為“Cascade”，對于DNA序列中第三個(gè)字母的興趣比其他字母要小。Jones 稱(chēng)：
“所以如果查找單詞'shirt’，那么有可能查找到'short’，這可能沒(méi)問(wèn)題?！?/p>
這聽(tīng)上去有點(diǎn)違反知覺(jué)，但是非常有益處。CRISPR 源于細菌的天然防御系統，防止入侵的病毒迅速擴散。一個(gè)好的防御系統可以看到病毒基因編碼微小的變化。
更好地了解這些規則，有利于開(kāi)發(fā)出更好的計算機模型，用于預測特定的CRISPR分子有可能與哪些DNA片段相互作用，并且將節省開(kāi)發(fā)個(gè)性化基因療法的時(shí)間和金錢(qián)。
參考資料
【1】https://news.utexas.edu/2017/06/29/safer-gene-editing-therapy-using-crispr
【2】http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30637-2?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867417306372%3Fshowall%3Dtrue
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