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年终盘点:2018年基因编辑盘点
发表日期:2019-05-04 18:57| 来源 :本站原创 | 点击数:
本文摘要:2018年12月23日/生物谷BIOON/---2018年11月,中国科学家贺建奎声称世界上首批颠末基因编纂的婴儿-一对双胞胎女性婴儿---出生。他操纵一种强大的基因编纂东西CRISPR-Cas9对这对双胞胎的一个基因进行点窜,使得她们出生后就可以或许天然地抵当HIV传染。这也是

  2018年12月23日/生物谷BIOON/---2018年11月,中国科学家贺建奎声称世界上首批颠末基因编纂的婴儿-一对双胞胎女性婴儿---出生。他操纵一种强大的基因编纂东西CRISPR-Cas9对这对双胞胎的一个基因进行点窜,使得她们出生后就可以或许天然地抵当HIV传染。这也是世界首例免疫艾滋病基因编纂婴儿。这条动静霎时在国表里网站上敏捷发酵,激发千层浪,有部门科学家支撑贺建奎的研究,可是更多的是质疑,以至是训斥。那么到底什么是基因编纂呢?基因编纂手艺指可以或许让人类对方针基因进行“编纂”,实现对特定DNA片段的敲除、插手等。

  CRISPR/Cas9是继ZFN和TALEN之后呈现的第三代“基因组定点编纂手艺”。与前两代手艺比拟,其成本低、制造简洁、快速高效的长处,让它敏捷风靡于世界各地的尝试室,成为科研、医疗等范畴的无效东西,并且颠末不竭改良后,更被认为可以或许在活细胞中最无效、最便利地“编纂”任何基因。

  基因组编纂手艺CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一,遭到人们的高度注重。CRISPR是纪律间隔性成簇短回文反复序列的简称,Cas是CRISPR相关卵白的简称。CRISPR/Cas9是由一种原始的细菌免疫系统改编而成的,它的感化体例是起首在基因组的一个靶位点上切割双链DNA。

  在CRISPR/Cas9系统中,酶Cas9在DNA靶位点长进行切割,此中这种靶位点是如许确定的:一种被称作CRISPR RNA(crRNA)的RNA分子操纵它的一部门序列与另一种被称作tracrRNA的RNA分子通过碱基配对连系在一路,构成嵌合RNA(tracrRNA/crRNA),然后,借助crRNA的另一部门序列与靶DNA位点进行碱基配对,以这种体例,这种嵌合RNA就可以或许指导Cas9连系到这个靶位点上并进行切割。在现实使用时,人们能够将tracrRNA和crRNA作为两种领导RNA(gRNA)或者融合在一路构成单领导RNA(single guide RNA, sgRNA),并被用来指导酶Cas9连系到靶DNA序列上并进行切割,此中Cas9与sgRNA一路被称作Cas9-sgRNA系统。

  此外,CRISPR/Cas9系统靶向识别和切割与前间隔序列临近基序(protospacer adjacent motif, PAM)相邻的特定DNA位点。作为一种最为屡次用于基因组编纂的Cas9酶,来自酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes)的Cas9(SpCas9)仅识别作为PAM的NGG序列(简称NGG PAM,此中N代表任何一种碱基),这就限制了基因组中可以或许被靶向的区域。

  与CRISPR/Cas9比拟,碱基编纂并不切割DNA双螺旋,而是在构成DNA或RNA的四个碱基中,操纵酶切确地从头陈列此中的一个碱基上的一些原子,从而将这个碱基转化为一个分歧的碱基,同时不改变其四周的碱基。这种能力大大添加了改变遗传物质的选择手段。2017年,通过碱基编纂器编纂单个碱基的手艺入选2017年《科学》杂志“科学十大冲破”。

  在2018年,科学家们在基因编纂取得严重的进展,让我们一路看看这个范畴在这一年里取得的严重发觉。

  2018年12月,鉴于9p21.3单倍型是目宿世界上已知最具影响力的心血管疾病遗传缘由,Valentina Lo Sardo等人收集了来自照顾着9p21.3单倍型高风险版本或低风险版本的人的血液,并让血液中的细胞颠末重编程后发生诱导性多能(iPS细胞),随后操纵称为转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)的分子铰剪对发生的iPS细胞进行基因润色,从而移除供者细胞基因组中的9p21.3单倍型高风险或低风险版本[1]。接下来,他们诱导这些颠末基因编纂的ips细胞变成血管滑润肌细胞。成果表白操纵TALEN剔除9p21.3单倍型高风险版本会解救血管滑润肌细胞的增殖、粘拥护收缩。

  2018年11月,Felicity Allen等人在一项迄今为止最大规模的探究CRISPR感化机制的研究中,发觉对颠末CRISPR-Cas9切割的DNA的修复依赖于靶DNA和gRNA的切确序列,而且发此刻不异的序列中,细胞的这种修复机制是可反复的[2]。他们随后操纵大量的序列数据开辟出一种称为FORECasT的机械进修计较东西,该东西可以或许仅利用靶DNA序列来预测修复后的DNA序列。与此同时,HMax W. Shen等人察看细胞若何修复小鼠和人类基因组中CRISPR靶向切割的2000个位点,并将所获得的数据输入到一种称为inDelphi的机械进修模子中,从而推进这种算法进修细胞若何对每个位点上的切割作出反映,它的预测成果表白在良多位点上,颠末校正的基因并不包含大量的变异,而是一种单一的成果,如校正致病性的基因[3]。

  2018年11月,Haibao Zhu等人将磁性纳米颗粒(MNP)与重组的圆柱形杆状病毒载体(baculovirus vector, BV)相连系,开辟出运送CRISPR/Cas9的MNP-BV载体,选择杆状病毒载体是由于是它具有较大的装载能力,并且在局部磁场的感化下可以或许降服补系统统导致的杆状病毒载体局部失活[4]。施加局部的磁场可以或许高效地靶向运送MNP-BV载体,并推进将MNP-BV载体转导到细胞中,从而实现通过空间节制对特定组织或器官中的基因进行润色。

  2018年10月,Lucas B. Harrington等人发觉了迄今为止最小的CRISPR基因编纂系统:在从科罗拉多州来复镇(Rifle)的一个有毒的净化场合获得的地下水样品中颠末测序的古细菌基因组中发觉了Cas14卵白[5]。与Cas9一样,Cas14具有作为生物手艺东西的潜力。因为具有较小的体积,Cas14可能用于编纂小细胞或某些病毒中的基因。不外鉴于Cas14的单链DNA切割活性,它更有可能改善目前正在开辟的用于快速诊断流行症、基因突变和癌症的CRISPR诊断系统。

  2018年10月,Florian Schmidt等人操纵肠道细菌大肠杆菌开展研究,未来自一种分歧的细菌物种的编码CRISPR-Cas9系统的基因导入到大肠杆菌中,此中的Cas9基因与一种逆转录酶融合在一路[6]。导入这些编码CRISPR-Cas9的外源基因的大肠杆菌细胞可以或许发生一种连系短mRNA分子的卵白复合物。这种逆转录酶将mRNA翻译为含有与初始的mRNA不异的遗传消息的DNA,然后将它们作为间隔序列存储在CRISPR阵列中。这种过程可以或许多次发生,从而使得新的间隔序列以相反的时间挨次添加到CRISPR阵列,因而比来获得的DNA片段老是位于最前面,由此,就开辟出开辟出一种存储转录事务的细胞记实设备。在此之前,Weixin Tang等人操纵CRISPR建立出一种称为CAMERA(CRISPR-mediated analog multi-event recordingapparatus)的细胞事务记实手艺[7]。

  2018年9月,鉴于在临床中利用CRISPR/Cas9基因编纂的一个妨碍是Cas9核酸酶可能会在错误的位点上切割DNA,Pinar Akcakaya等人开辟出一种让脱靶效应最小化的方式:将基因组DNA切割为大约长300个碱基对的片段,给这些片段毗连上一系列让DNA环化的接头(adapter),随后引入Cas9和gRNA的复合物,这种复合物在某些位点上切割环状DNA,从而让它线]。另一批核酸酶会降解残剩的未被切割的环状DNA。通过这种体例,这些研究人员可以或许对线性化的DNA进行测序,从而可以或许察看Cas9切割(非论是成心的仍是无意的)的位点并预测gRNA能否会导致体内脱靶效应。随后,他们在小鼠中测试了他们的预测成果:当利用在体外发觉的会在基因组中数千个错误位点进行切割的gRNA时,在检测的一部门的预测位点中,跨越40%的位点也在小鼠肝脏中发生突变。一个位点在体外筛选中呈现的频次越高,它在体内发生突变的可能性就越大。换句话说,在体外发生差错的gRNA在体内也会发生差错。

  2018年9月,美国迈阿密大学的Carlos Moraes团队将含有靶向线粒体的TALEN(mitochondrial-targeted TALEN, MitoTALEN)的腺相关病毒(AAV)打针到照顾着mtDNA突变的小鼠肌肉中,在六个月后,小鼠肌肉组织中的突变mtDNA的程度下降了50%以上---低于凡是与线粒体疾病的症状相关的程度[9]。与此同时,英国剑桥大学的Michal Minczuk团队,研究人员将含有靶向线粒体的ZFN(mitochondrially targeted zinc-finger nuclease, mtZFN)的AAV病毒打针到小鼠的尾静脉中,从而被系统性地运送到心脏中。仅两个多月后,突变mtDNA的程度在心脏组织中下降了大约40%[10]。

  2018年9月,Avery C. Rossidis等人将名为BH3的碱基编纂器和CRISPR系同一路导入患有遗传性酪氨酸血症1型(HT1)的小鼠胚胎中,成果表白,接管BH3医治的小鼠胚胎,在出生后的3个月里肝脏中颠末编纂的肝细胞数量不变[12]。在HT1小鼠模子中,BH3医治提高了它们的肝脏功能和保存率。与此同时,Lukas Villiger等人将CRISPR/Cas9系统和胞苷脱氨酶连系在一路,将导致苯丙酮尿症的DNA碱基对C-G改变为在一般人中呈现的T-A,并且接管这种碱基编纂医治的小鼠肝脏中60%的致病基因突变可以或许被成功校正,从而使得小鼠体内的苯丙氨酸程度降低到一般水准,并且不再显示出任何苯丙酮尿症的症状[13]。

  CRISPR/Cas9系统和碱基编纂器感化机制示企图,图片来自Science期刊。

  2018年9月,鉴于III型CRISPR/Cas效应复合物在连系到靶RNA时汇合成由4或6个腺苷一磷酸(AMP)分子毗连在一路而构成的环寡腺苷酸,所发生的环寡腺苷酸诱导细胞进入抗病毒形态,可是若是长时间处于激活形态的话,细胞也会灭亡,Januka S. Athukoralage等人判定出一种称为环状核酸酶(ring nuclease)的封闭开关,它特同性地切割这些环寡腺苷酸分子,而且当入侵的病毒蒙受粉碎时,它让细胞恢复到未受传染的形态[14]。环状核酸酶是CRISPR基因组工程东西包中的一个主要的新组分。这将激发遗传病和传染医治变化。

  2018年9月,Kyle E. Watters等人操纵一种全面的生物学消息学和尝试筛选方式判定出三种阻断或削减在人细胞中进行CRISPR/Cas12a介导的基因组编纂的抑止剂[15]。与此同时,Nicole D. Marino等人发觉了12个Acr基因,这些基因编码的Acr卵白包罗抑止V-A型CRISPR/Cas系统和I-C型CRISPR/Cas系统的卵白,如AcrVA1。值得留意的是,当在人细胞中进行测试时,AcrVA1最为无效地抑止Cas12a的一系列直向同源物,包罗MbCas12a、Mb3Cas12a、AsCas12a和LbCas12a[16]。这些CRISPR/Cas12a抑止剂供给了对CRISPR基因编纂进行节制的生物手艺东西。

  2018年8月,我国科学家Weiqi Zhang等人在全球初次实现了SIRT6在非人灵长类动物中的全身敲除,获得了世界上首例特定长命基因敲除的食蟹猴模子[17]。与SIRT6敲除小鼠表示的加快衰老表型较着分歧,SIRT6敲除的食蟹猴在出生数小时内即灭亡。多项阐发成果显示,SIRT6敲除的食蟹猴未见加快衰老表型,却表示出严峻的全身发育迟缓。重生SIRT6敲除猴的脑及多种其他器官组织均表示出较着的胚胎期未成熟的细胞和分子特征。在此之前,我国科学家Sen Yan等人操纵CRISPR/Cas9基因编纂手艺将人体中导致亨廷顿跳舞病(Huntingtons disease, HD)的具有很是长的谷氨酰胺反复序列的mHTT编码基因的一个片段导入到猪成纤维细胞中[18]。随后,体细胞核移植发生照顾这种基因改变的猪胚胎,由此建立出基因敲入HD猪模子。

  2018年7月,Alex Marson团队开辟出一种强大的分子“剪切和粘贴”系统,用于重写人T细胞中的基因组序列:当某些数量的T细胞、DNA和CRISPR“铰剪”夹杂在一路然后表露在一种恰当的电场中时,这些T细胞将摄入DNA和CRISPR铰剪,而且切确地将特定的基因序列整合到CRISPR在基因组中的靶切割位点上[19]。它在将来有助于加快开辟出新的愈加平安的医治癌症、本身免疫疾病和其他疾病(包罗稀有的遗传性疾病)的疗法。

  2018年7月,Michael Kosicki等人发觉CRISPR/Cas9基因编纂东西可以或许导致基因组上的靶位点附近发生大片段DNA缺失和重排。这些重排导致之前相隔遥远的DNA序列被拼接在一路。这种现象在他们测试的所有三种细胞类型---小鼠胚胎、小鼠造血祖细胞和一种人分化细胞系---中都很遍及[20]。这些变化可以或许干扰对尝试成果的注释,而且可能使得设想基于CRISPR的疗法的勤奋复杂化。

  2018年7月,Lili Wang等人对归巢核酸内切酶(meganuclease)进行基因形式,使得它可以或许特同性地识别而且失活PCSK9基因,随后操纵腺病毒载体(AAV)照顾颠末基因润色的归巢核酸内切酶来干扰灵长类动物肝脏中的PCSK9基因,成果发此刻操纵中等和高剂量AAV载体医治的动物机体中,PCSK9的程度下降了45%-84%,并且无害胆固醇的程度也下降了30%-60%[21]。

  2018年7月,Demosthenes P. Morales等人开辟出光触发的基因组编纂方式,这种方式的环节是空心的金纳米球,在这些金纳米球上包被着DNA演讲链(发出红色荧光)和由Cre重组酶与细胞穿透肽构成的融合卵白[22]。一旦被摄入到细胞中,这些金纳米球被包埋在内体(endosome)中。超快脉冲近红外激光 ---对细胞无害且高效地穿过组织---随后映照这些被包埋的金纳米球和它们的卵白涂层。这种映照导致这些金纳米球遭到激发,这会导致纳米气泡构成,从而让内体呈现启齿并答应它的卵白内含物逃出。这些卵白现在自在地前去存储着遗传物质的细胞核中,并让细胞穿透肽进入。Cre可以或许寻找、剪切细胞中的双螺旋DNA,而且将DNA演讲链粘贴到双螺旋DNA中。

  2018年6月,Emma Haapaniemi等人发此刻尝试室情况中对人类细胞进行CRISPR-Cas9基因编纂操作大概会激活名为p53的癌症抑止卵白,一旦被激活后,p53就会降低CRISPR-Cas9基因编纂的效率,而不照顾p53或无法激活p53表达的细胞就会表示出较好的基因编纂结果,但倒霉的是,贫乏p53常备认为会使得细胞失控发展而且发生癌变[23]。通过挑选曾经成功修复毁伤基因的细胞,这可能就会在无意当选择不照顾功能性p53的细胞,若是将这种细胞转移到患者体内,以此作为基因疗法来医治遗传性疾病,如许的细胞大概就会诱发癌症。

  2018年5月,Matthew G. Costales等人开辟出一种经设想后可以或许切确和有选择性地连系特定RNA的称为RIBOTAC(ribonuclease-targeting chimeras)的手艺,这种RIBOTAC复合物的第一部门是RNA降解酶RNase L,它的另一个部门是药物雷同分子Targaprimir-96,用于与一种已知推进癌细胞增殖的microRNA致癌基因(即miRNA-96)连系[24]。这种RIBOTAC复合物局部激活内源性的RNase L,从而切割癌细胞中的miRNA-96前体,这又会添加促凋亡转录因子FOXO1表达,从而选择性地触发恶性肿瘤细胞灭亡。

  2018年4月,Cameron Myhrvold等人开辟出一种愈加简单的方式,从而答应Cas13间接在唾液或血液等体液样品中检测它的靶标。这种方式被称作HUDSON(Heating Unextracted Diagnostic Samples to Obliterate Nucleases),通过对临床样品进行快速的化学和热处置来灭活某些会降解基因靶标的酶。这些颠末处置的临床样品随后通过SHERLOCK诊断平台进行检测,最终的检测成果(阳性或阳性)可以或许在试纸条上很容易地察看到[25]。Feng Zhang团队对SHERLOCK诊断平台进行一系列优化,让这种平台利用来自分歧细菌品种的Cas13和Cas12a(以前称为Cpf1)酶来发生额外的信号;此外,还添加了一种额外的CRISPR相关酶(即Csm6)来放大检测信号,从而添加了SHERLOCK的活络度,并添加精确地定量确定样品中的靶分子程度和一次测试多种靶分子的能力[26]。Jennifer A. Doudna团队察看到Cas12a锁定它的靶标并进行切割,它就会起头撕碎它可以或许发觉的所有单链DNA,开辟出一种简单的被称作DETECTR(DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter)的新方式,它可以或许实现活络而又精确的DNA检测[27]。这种SHERLOCK诊断平台是Feng Zhang团队在一年之前基于Cas13酶和RNA演讲分子开辟出来的:在颠末两个扩增步调后,当Cas13a检测到靶RNA序列时,它的无区分的RNA酶活性(即附带切割活性)也会切割这种RNA演讲分子,从而释放可检测到的荧光信号[28]。

  2018年3月,Silvana Konermann等人建立出一种靶向RNA而不是靶向DNA的新东西,并操纵它校正来自一名痴呆症患者的细胞中的卵白不均衡,从而让它们恢复到健康程度。这种被称作CasRx的新东西来自黄化瘤胃球菌(Ruminococcus flavefaciens)XPD3002,它为科学家们供给一种强大的方式来开辟新的基因疗法和研究根本的生物学功能[29]。

  2018年2月,鉴于spCas9对靶DNA序列的识别依赖于特定的PAM序列---NGG序列,仅1/16的人类基因组区域含有这种PAM序列,这无疑限制了基因编纂的范畴,为此,Johnny H. Hu等人开辟出称为xCas9的SpCas9变体,该变体普遍识别多种PAM序列,包罗NG、GAA和GAT,编纂范畴至多添加了4倍,能够靶向编纂基因组的1/4区域[30]。更主要的是,比拟于spCas9,xCas9错误编纂的概率降低了。

  2018年2月,X. Shawn Liu等人鉴于脆性X染色体分析征是由患者X染色体上的FMR1基因发生突变惹起,X. Shawn Liu等人开辟一种移除甲基化的改良型CRISPR / Cas9系统:将没有切割活性的dCas9与甲基胞嘧啶双加氧酶Tet1融合在一路,移除FMR1基因中的三核苷酸(CGG)反复序列上的甲基化标签[31]。移除这些甲基化标签会让FMR1基因的表达恢复到一般的程度。

  其实,科学家们针对基因编纂范畴的研究不堪列举,以上枚举的仅是此中的一小部门。当然,迄今为止,涉及基因编纂的疾病医治研究根基上局限在细胞模子和动物模子上,这是由于诸如CRISPR/Cas9之类的基因编纂手艺具有着编纂效率较低和脱靶效应等错误谬误,因而贸然进行开展人体临床试验,会激发难以预测的成果,这不奇异傍边国科学家贺建奎声称世界上首批颠末基因编纂的婴儿出生时,国表里的口诛笔伐纷至杳来。不外,在将来,科学家们将从病理学、分子生物学、基因、卵白和组学等分歧角度深切探究ZFN、TALEN和分歧类型的CRISPR/Cas系统及其改良版本等基因编纂手艺的细致感化机制,人们最终有朝一日可以或许操纵基因编纂手艺医治HIV传染、癌症、血液系统疾病、神经系统疾病和遗传疾病等一系列疾病。(生物谷

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