1、導言
https://sh.qihoo.com/pc/detail?url=http%3A%2F%2Fzm.news.so.com%2F628267e0a4830e7d854ea9b0b3912aec&check=bc76d5720b93eb28&sign=look&uid=b6165a7cbff22a8220745f270b43701d自5年前開(kāi)始CRISPR熱潮以來(lái)，科學(xué)家們一直在為這個(gè)功能強大的工具創(chuàng )造出更多功能更強大的變體，極大的簡(jiǎn)化了DNA的編輯工作。25日Science和Nature雜志上發(fā)表的兩項研究進(jìn)一步擴大了CRISPR的影響力，介紹了一種巧妙的修改被稱(chēng)為基礎遺傳物質(zhì)的單堿基的方法。其中一項研究擴展了編輯DNA的策略，而另一項研究則通過(guò)基因編輯RNA來(lái)開(kāi)拓新局面。
Cas9系統在實(shí)驗室中非常受歡迎，但可能在定點(diǎn)突變方面無(wú)效
兩者都為遺傳研究和治愈疾病開(kāi)辟了新的途徑。哈佛大學(xué)的化學(xué)家劉偉(David Liu)在去年在Nature的一篇論文中率先開(kāi)創(chuàng )了DNA基因編輯，并合作撰寫(xiě)了最新的Nature文章，他說(shuō):“不應該將base編輯視為比CRISPR更好 - 他們只是不同?！?/p>
靶位點(diǎn)切割雙鏈DNA
從原始細菌免疫系統改良的CRISPR通過(guò)首先在基因組的靶位點(diǎn)切割雙鏈DNA來(lái)進(jìn)行工作。相比之下，base編輯不會(huì )切斷雙螺旋，而是使用酶來(lái)精確地重新排列構成DNA或RNA的四個(gè)堿基之一中的一些原子，將單個(gè)堿基轉化為不同的堿基，而不改變其周?chē)膲A基。這種能力大大增加了改變遺傳物質(zhì)的選擇?！斑@是一個(gè)非常有價(jià)值的補充”，馬薩諸塞州伍斯特大學(xué)醫學(xué)院的CRISPR研究員Erik Sontheimer說(shuō)。
2、傳統編輯技術(shù)的缺陷
CRISPR-Cas9的基因編輯技術(shù)，可以讓科研人員以前所未有的輕松方式修改目的基因。但是，使用該工具來(lái)消除基因的功能很容易，但是卻難以修正由給定基因中的單個(gè)DNA堿基變化引起的“點(diǎn)突變”。哈佛大學(xué)馬薩諸塞州劍橋大學(xué)的化學(xué)生物學(xué)家劉偉(David Liu)說(shuō):“事實(shí)證明，大多數與疾病有關(guān)的人類(lèi)遺傳變異屬于基因的點(diǎn)突變。而且單基因突變的含量是目前基因編輯技術(shù)效率無(wú)法應對的?！?/p>
常規CRISPR使用與稱(chēng)為核酸酶的酶(最常見(jiàn)的是Cas9)偶聯(lián)的指導RNA(gRNA)，其一起連接到特定的DNA堿基區域;然后核酸酶剪切雙螺旋。細胞修復機制嘗試重新加入切割的DNA末端，但偶爾會(huì )插入或刪除一些堿基，這將使DNA代碼變成亂碼，并且可能誤敲除靶基因?！昂怂岬幕蚓庉嫹浅＿m合滅活基因，”美國馬薩諸塞州劍橋大學(xué)研究所的研究員馮章研究員說(shuō)。
然而，CRISPR的，“精確編輯效率較低”。為了修復點(diǎn)突變，CRISPR-Cas9系統還必須引入具有正確堿基的“供體”DNA鏈，然后依靠稱(chēng)為同源性定向修復(HDR)的第二種細胞機制。但是除非細胞分裂，否則HDR的作用很差，這意味著(zhù)這種策略在不再復制自身的大腦和肌肉細胞中不起作用。即使分裂細胞，供體DNA很少插入切割點(diǎn)。
3、DNA編輯新策略
麻省理工學(xué)院廣泛研究所和馬薩諸塞州劍橋的哈佛分校的劉偉(David Liu)團隊報告了一種精確的單基因替換技術(shù)。這項技術(shù)有望為基因治療開(kāi)啟全新的大門(mén)，同時(shí)為疾病研究提供了更精密的研究工具。而且傳統CRISPR基因編輯系統需要經(jīng)過(guò)復雜的序列設計。這一進(jìn)步促進(jìn)了這種編輯的成功，可以提高科學(xué)家建模人類(lèi)疾病的能力，并為他們提供治療方法。
傳統CRISPR技術(shù)其實(shí)并不適合用于進(jìn)行單堿基突變造成的疾病的治療;這就好比殺雞用牛刀，對于“精密化學(xué)手術(shù)”，傳統CRISPR技術(shù)只會(huì )帶來(lái)更多的風(fēng)險而不是進(jìn)行治療。正是出于這個(gè)原因，David Liu教授的團隊才會(huì )進(jìn)行單基因定點(diǎn)轉換的研究。
人類(lèi)胚胎腎細胞
研究人員使用人類(lèi)胚胎腎細胞，對其進(jìn)行了單個(gè)堿基對的精密“替換”實(shí)驗。實(shí)驗結果表明新型技術(shù)可以在不對基因進(jìn)行切割的情況下精確的“替換”。替換的效率是50%而且沒(méi)有檢測出任何的副產(chǎn)物。相比之下，使用更傳統的CRISPR方法，插入含有所需堿基變化的DNA鏈，固定相同的單堿基突變的效率小于5%，并且經(jīng)常引起不期望的大塊DNA的插入或缺失。
其實(shí)早在去年，該研究組已經(jīng)推出了一個(gè)“base”編輯技術(shù);而且這項技術(shù)也被世界各地的研究者應用在了真菌、植物、魚(yú)和小鼠等模式動(dòng)物的基因編輯中。但它有個(gè)明顯的缺陷，只能實(shí)現兩種化學(xué)轉換:將胞嘧啶(C)轉換成胸腺嘧啶(T)或鳥(niǎo)嘌呤(G)轉換為腺嘌呤(A)(即C→T，G→A;)。而在今年的10月25日Nature中他們對該技術(shù)進(jìn)行了改良擴大了變化范圍(將T轉換為C或A轉換為G)。這樣就增加了該技術(shù)的應用范圍。
base編輯技術(shù)原理圖
許多人類(lèi)疾病是由單一基因的點(diǎn)突變引起的。CRISPR難以有效、清晰地糾正這些所謂的點(diǎn)突變，而base編輯可以提供更有效的方法。劉偉(David Liu)初次報道后，中國的一個(gè)小組使用DNA基因編輯，試圖糾正遺傳性血液病癥患者的克隆的人類(lèi)胚胎的致病突變。
4、RNA定點(diǎn)編輯
2016年正是受到單堿基轉換的影響，張鋒實(shí)驗室開(kāi)始在RNA編輯中使用類(lèi)似技術(shù)。因為目前發(fā)現一種可以將A轉換位肌苷(I)的酶，而在RNA翻譯過(guò)程中I會(huì )被讀為G(也就實(shí)現了RNA水平的A→G)。這允許臨時(shí)校正致病突變，而不會(huì )永久性地改變基因組 - 當涉及到基因固定治療劑時(shí)，盡管治療需要重復施用，但這也是一種可能的更安全的選擇。這意味著(zhù)研究人員可以改變治療策略，因為他們能夠更好地了解這種疾病。
5、技術(shù)簡(jiǎn)介
張鋒團隊的RNA編輯基于一種天然存在的酶，它將A中的原子重新排列成與I相似的原子。研究人員將酶融合到CRISPR-Cas13(RNA靶向酶)，而不是通常的DNA結合酶Cas9。在序列特異性引導RNA分子的幫助下，這項技術(shù)的成功糾正效率為23-35%，發(fā)生非靶向活動(dòng)的變異發(fā)生率較低。
劉團隊是第一個(gè)采用堿基轉換的團隊，2016年的研究中他們使用了一種天然存在的酶，并將其連接到一個(gè)dead Cas9上，這使得它們可以將C轉化為T(mén)。
將gRNA與“死”的Cas9(dCas9)融合，不能切割整個(gè)雙螺旋，但仍然能夠定位到相應的位置。研究人員扼制了這一復合物APOBEC1，引發(fā)了一系列化學(xué)反應，這些化學(xué)反應最終將C改變?yōu)門(mén)。將dCas9進(jìn)一步修飾為未編輯的鏈，其利用細胞的DNA修復機制轉化，將最初與C配對的G轉化成與新T配對的A。
技術(shù)簡(jiǎn)圖
但是DNA中相反轉換的等效酶，自然界中沒(méi)有發(fā)現。所以他們開(kāi)始使用類(lèi)似于張峰組使用的RNA編輯酶的策略，做出了今年的研究成果。
可能是出于對對方的尊重，所以?xún)善亓考壍奈恼露荚?0月25日共同發(fā)表，一個(gè)在Nature，一個(gè)在Science。
6、相關(guān)評論
首爾國立大學(xué)分子遺傳學(xué)家Jin-Soo Kim說(shuō):“這是基因組編輯領(lǐng)域的重大突破?！?/p>
“A到G，G到A，C到T和T到C”的四種類(lèi)型的能力對于精確的治療將是非常有價(jià)值的，“來(lái)自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的植物遺傳學(xué)家Caixia Gao說(shuō)。
鹽湖城猶他大學(xué)的基因工程研究員達納·卡羅爾(Dana Carroll)表示:“這代表了英勇的努力;”他指出“定向轉化方法是黑暗中的一個(gè)明燈?！笨_爾說(shuō):“我不會(huì )有膽量去嘗試他們所做的研究的。
AstraZeneca在瑞典哥德堡的基因編輯研究人員Marcello Maresca說(shuō)，“在藥物發(fā)現和基于DNA的數據存儲方面該技術(shù)也具有應用價(jià)值?！?/p>
“任何其他base編輯技術(shù)的發(fā)展都需要克服自然界不存在這類(lèi)酶的障礙，即使是RNA轉化。但這種障礙并沒(méi)有阻止劉先生。我們會(huì )繼續努力，直到順利開(kāi)發(fā)出所有可能的base編輯?！彼f(shuō)。
加利福尼亞州斯坦福大學(xué)生物工程師史丹利·齊，渴望嘗試劉氏改良的Cas9。他說(shuō)，該方法可能比舊的CRISPR方法簡(jiǎn)單得多，舊的方法需要插入易于降解的DNA模板，有時(shí)甚至是對細胞有毒性的?！斑@項技術(shù)避免了這個(gè)重大問(wèn)題?！彼f(shuō)?！斑@真的擴大了CRISPR的應用范圍?！?/p>
“雖然RNA的短暫性質(zhì)使得基礎編輯對于許多療法來(lái)說(shuō)吸引力不大”，但Sontheimer也看到了一個(gè)提升空間?！霸谀承┓矫?，使用RNA更安全，”他說(shuō)?！把芯咳藛T擔心基因組編輯可能會(huì )意外錯誤的影響基因組的其他部分 - 這是DNA基因編輯器永久性的變化?！盨ontheimer說(shuō):“如果有一定程度的針對性，您不會(huì )永久地將這些錯誤刻蝕到基因組中”。
最后張峰和劉偉強調，基礎編輯治療進(jìn)入臨床試驗之前可能需要幾年時(shí)間，直到能明確該策略是否能提供優(yōu)于現有基因治療方法的優(yōu)勢。劉偉說(shuō):“base編輯將是更好的人類(lèi)遺傳疾病治療方法?！?/p>
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