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Science:張鋒再發(fā)重大突破,新成果“劍指”CRISPR脫靶效應(yīng)!

來(lái)源:生物探索、化學(xué)加      2015-12-07
導(dǎo)讀:2015年,基因編輯這個(gè)詞可謂是最活躍的科技詞匯之一;CRISPR作為最受歡迎的基因編輯神器更是突破不斷。雖然今年它最終沒(méi)能摘得諾獎(jiǎng),但是技術(shù)的一次次更新和突破讓科學(xué)界根本無(wú)法忽視這一技術(shù)的巨大實(shí)力和無(wú)限潛力。

2015年,基因編輯這個(gè)詞可謂是最活躍的科技詞匯之一;CRISPR作為最受歡迎的基因編輯神器更是突破不斷。雖然今年它最終沒(méi)能摘得諾獎(jiǎng),但是技術(shù)的一次次更新和突破讓科學(xué)界根本無(wú)法忽視這一技術(shù)的巨大實(shí)力和無(wú)限潛力。

Cas9酶是基因編輯系統(tǒng)中一個(gè)非常關(guān)鍵的組成部分,而脫靶效應(yīng)一直是CRISPR技術(shù)需要克服的重大技術(shù)問(wèn)題。在任何臨床應(yīng)用之前,醫(yī)生和監(jiān)管機(jī)構(gòu)必須確保Cas9酶不會(huì)引起非目標(biāo)基因組的損傷。

11月30日,發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究中,麻省理工學(xué)院-哈佛醫(yī)學(xué)院Broad研究所CRISPR大神張鋒的研究小組又取得了一項(xiàng)突破性的成果。研究人員通過(guò)創(chuàng)建了3個(gè)新版本的Cas9酶大大降低了CRISPR/Cas9系統(tǒng)的脫靶效應(yīng);有效改善了這一技術(shù)的最大局限性之一。

張鋒的團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變構(gòu)成化膿性鏈球菌Cas9酶的約1,400個(gè)氨基酸中的3個(gè)氨基酸將“脫靶編輯”顯著減少至無(wú)法檢測(cè)到的水平。他說(shuō),不同于其他降低CRISPR/Cas9系統(tǒng)錯(cuò)誤率的方式,這些新酶的使用不需要改變?cè)S多研究人員現(xiàn)在參照的CRISPR/Cas9系統(tǒng)的protocol。

新版本的Cas9酶如何形成的?

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The Cas9 enzyme cuts DNA (in red) to which it is guided by an RNA sequence (in green)

在這項(xiàng)研究中,科學(xué)家們利用了Cas9蛋白的結(jié)構(gòu)知識(shí)來(lái)降低脫靶切割(off-target cutting),即帶負(fù)電荷的DNA是結(jié)合到帶正電荷的Cas9蛋白的凹槽。基于這樣的原理,他們預(yù)測(cè),相較于“靶向”序列,用一些中性氨基酸來(lái)替代正電荷的氨基酸,可以減少Cas9與“脫靶”序列的結(jié)合。

在試驗(yàn)了各種可能的改變后,張鋒研究小組發(fā)現(xiàn)三個(gè)氨基酸突變可大大減少“脫靶”切割。利用測(cè)試的導(dǎo)向RNAs,研究人員證實(shí)“脫靶”切割已降低至檢測(cè)不到的水平。研究小組將這種新設(shè)計(jì)的酶命名為“增強(qiáng)型”化膿性鏈球菌Cas9(eSpCas9),可用于需要高水平特異性的基因組編輯應(yīng)用。

張鋒實(shí)驗(yàn)室馬上將向全世界的研究人員提供這種eSpCas9。該研究小組相信相同的電荷改變方法也會(huì)對(duì)張鋒與合作者們?cè)诮衲暝缧r(shí)候報(bào)告的其他RNA引導(dǎo)DNA靶向酶,包括Cpf1、C2C1和C2C3發(fā)揮作用。

科學(xué)家如何評(píng)價(jià)新系統(tǒng)

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并未參與這項(xiàng)研究的哈佛大學(xué)化學(xué)生物家David Liu 說(shuō):“這項(xiàng)工作實(shí)際上實(shí)在調(diào)和Cas9多余的“熱情”,使它只能作用于目標(biāo)序列。對(duì)很多科研應(yīng)用而言,使用不變的Cas9也一樣可以。但是當(dāng)用于治療領(lǐng)域時(shí),研究人員希望能夠降低錯(cuò)誤率,使之不超過(guò)人類(lèi)細(xì)胞正常的DNA突變率。在治療應(yīng)用中,我們都希望程序能夠以最大的準(zhǔn)確度發(fā)揮作用,確保不能編輯到基因組中預(yù)想之外的位點(diǎn)?!?/span>

張鋒將對(duì)CRISPR/Cas9系統(tǒng)的改善比作“讓汽車(chē)變得更快”的過(guò)程:新的Cas9酶就像為CRISPR/Cas9系統(tǒng)加上了更大的發(fā)動(dòng)機(jī)。他說(shuō):“當(dāng)然,汽車(chē)提速的方法很多;同樣,還可以結(jié)合其它的方法產(chǎn)生馬力更強(qiáng)的酶?!?/span>

張鋒近期部分成果一覽

在文章的第三段,筆者用了“又獲得突破成果”這樣的說(shuō)法,這是因?yàn)樵贑RISPR領(lǐng)域,張鋒確實(shí)是論文非常高產(chǎn)的研究者之一。以下是今年下半年張鋒發(fā)布的部分CRISPR相關(guān)的文章(以發(fā)布時(shí)間排序):

1. 張鋒Cell子刊:第二類(lèi)CRISPR-Cas基因組編輯系統(tǒng)(10月22日)

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一個(gè)國(guó)際CRISPR-Cas研究人員小組發(fā)現(xiàn)了自然存在的、具有基因組編輯潛力的三個(gè)新系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)以及確定這些系統(tǒng)的特征有望進(jìn)一步擴(kuò)大基因組編輯工具箱,為生物醫(yī)學(xué)研究開(kāi)辟新的途徑。

2. 張鋒Cell重大突破:基因編輯家族“新神器”誕生,CRISPR/Cpf1讓一切皆有可能(9月25日)

9月25日,發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的一項(xiàng)研究中,CRISPR技術(shù)先驅(qū)、Broad研究所合成生物學(xué)家張鋒領(lǐng)導(dǎo)的研究小組找到一種讓該技術(shù)更簡(jiǎn)單、更精準(zhǔn)的方法。一種叫做Cpf1的蛋白可能將克服CRISPR-Cas9系統(tǒng)應(yīng)用中的一些限制。雖然CRISPR-Cas9系統(tǒng)適用于讓基因失去功能,但是對(duì)于真正實(shí)現(xiàn)用一個(gè)DNA序列的替換另一個(gè)還很困難。

3. 張鋒Nature發(fā)布CRISPR新成果,開(kāi)辟鐮狀細(xì)胞病治療新途徑(9月16日)

來(lái)自Dana-Farber/波士頓兒童醫(yī)院癌癥及血液疾病中心的研究人員發(fā)現(xiàn),改變一小段DNA可以避開(kāi)鐮狀細(xì)胞?。⊿CD)背后的遺傳缺陷。這一發(fā)布在《自然》(Nature)雜志上的發(fā)現(xiàn),為開(kāi)發(fā)出一些基因編輯方法來(lái)治療SCD和諸如地中海貧血等其他的血紅蛋白疾病開(kāi)辟了一條途徑。

4. 張鋒Cell重大突破:新型Cas9克服“哺乳動(dòng)物”基因組編輯挑戰(zhàn)(8月27日)

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發(fā)表于8月27日《細(xì)胞》(cell)雜志上的一篇新研究論文中,來(lái)自Broad研究所和東京大學(xué)的研究人員揭示出了金黃色葡萄球菌Cas9復(fù)合物(SaCas9)的晶體結(jié)構(gòu)——這種高效的酶克服了在哺乳動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行基因組編輯一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。

5. 張鋒參與Cell發(fā)布CRISPR重要新成果(7月16日)

一直以來(lái)研究人員都無(wú)法在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)高通量的靶向基因編輯,CRISPR-Cas9系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)志著遺傳篩查一個(gè)重大的突破?,F(xiàn)在,來(lái)自哈佛-麻省理工Broad研究所的研究人員將這一篩查技術(shù)應(yīng)用于小鼠骨髓源性樹(shù)突狀細(xì)胞,研究了PAMPs觸發(fā)的免疫反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。通過(guò)綜合分析基因敲除結(jié)果及蛋白質(zhì)和mRNA表達(dá)改變,他們利用CRISPR篩查以前所未有的分辨率剖析了免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這一重要的成果發(fā)布在7月16日的《細(xì)胞》(Cell)雜志上。

6.Genome Research:張鋒CRISPR新論文(6月10日)

6月10日,來(lái)自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Dana-Farber癌癥研究院、哈佛大學(xué)統(tǒng)計(jì)系和麻省理工學(xué)院-哈佛大學(xué)布羅德研究所的研究人員,在國(guó)際基因組研究權(quán)威期刊《Genome Research》發(fā)表題為“Sequence determinants of improved CRISPR sgRNA design”的學(xué)術(shù)論文。在這項(xiàng)研究中,該研究小組系統(tǒng)地評(píng)估了提高CRISPR篩選中單導(dǎo)向RNA(sgRNA)效率的DNA序列特征,并建立了一個(gè)新的序列模型,用于預(yù)測(cè)CRISPR/Cas9基因敲除實(shí)驗(yàn)中的sgRNA效率。

全球矚目的基因編輯大會(huì)

12月1日-3日,來(lái)自世界各地的科學(xué)家們齊聚在華盛頓召開(kāi)的 International Summit on Human Gene Editing大會(huì),共同探討基因編輯技術(shù)所帶來(lái)的基礎(chǔ)研究變革、潛在應(yīng)用,以及由此帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題、政府管控以及法律問(wèn)題等。

參會(huì)的“大咖”包括了著名遺傳學(xué)家George Church,CRISPR兩大女神Jennifer Doudna及Emmanuelle Charpentier、麻省理工學(xué)院-哈佛醫(yī)學(xué)院Broad研究所張鋒以及我國(guó)科學(xué)家中科院李勁松研究員等。

“我們希望測(cè)量這項(xiàng)技術(shù)在全世界的“溫度”。”美國(guó)帕薩迪納市加州理工學(xué)院病毒學(xué)家、此次人類(lèi)基因編輯國(guó)際峰會(huì)主席David Baltimore說(shuō)。那么,這些基因編輯領(lǐng)域頂級(jí)的科學(xué)家對(duì)基因編輯都持怎樣的態(tài)度呢?

Jennifer Doudna

Doudna認(rèn)為,人們應(yīng)該商議基因組編輯研究的界限,特別是人類(lèi)生殖細(xì)胞的編輯。全面禁止也許會(huì)阻礙那些可能在未來(lái)帶來(lái)治療方法的研究,考慮到CRISPR/Cas9的廣泛使用和易用程度,這也是不實(shí)際的。

Doudna向科學(xué)家和政策制定者提出了五點(diǎn)建議,希望推動(dòng)人類(lèi)和非人類(lèi)生物學(xué)中的CRISPR技術(shù)。具體來(lái)說(shuō),她呼吁研究人員開(kāi)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)方法,以測(cè)定基因組編輯技術(shù)的效率和脫靶效應(yīng),從而有助于比較臨床試驗(yàn)。她還呼吁國(guó)際社會(huì)就道德或不道德的研究出臺(tái)指引。她認(rèn)為,監(jiān)管可確保人類(lèi)基因組編輯的安全性和有效性。

George Church

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Church也舉了一些監(jiān)管的現(xiàn)有例子,并認(rèn)為禁止將會(huì)使這種活動(dòng)轉(zhuǎn)為地下,遠(yuǎn)離公眾視線。他認(rèn)為,禁止人類(lèi)生殖細(xì)胞的編輯無(wú)異于為這種最佳的醫(yī)學(xué)研究潑了一盤(pán)冷水,反而推動(dòng)研究轉(zhuǎn)向黑市,這帶來(lái)了更大的風(fēng)險(xiǎn)和濫用;相反,我們應(yīng)鼓勵(lì)監(jiān)管機(jī)構(gòu)在安全性和有效性上的高標(biāo)準(zhǔn),而不是懷有悲觀的假設(shè)。

張鋒

張鋒在會(huì)上說(shuō),快速和高效的基因組編輯前景引起了許多倫理和社會(huì)關(guān)注。許多安全性問(wèn)題都與脫靶效應(yīng)相關(guān)。我們希望全新開(kāi)發(fā)的eSpCas9將幫助解決其中的一些問(wèn)題,但我們并沒(méi)有將其視作為是一個(gè)神奇子彈。這一領(lǐng)域正在迅速地發(fā)展,在我們認(rèn)為可以將這一技術(shù)投入臨床應(yīng)用前還有許多東西有待了解。

李勁松

盡管筆者沒(méi)有收集到李勁松研究員在大會(huì)上的發(fā)言,但上周發(fā)表在《MIT Technology Review》上的一篇文章中,他曾表示,胚胎編輯是不可接受的,“糾正”生殖細(xì)胞是唯一可能的策略。


來(lái)源:生物探索,經(jīng)化學(xué)加編輯

官微 化學(xué)加 2015-12-06發(fā)

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