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Broad研究所获得CRISPR/Cas9首个专利权

CRISPR/ Cas9 :新一代基因编辑技术获得专利权

正在生物体内发挥功能的 CRISPR/Cas9 系统

4 月 15 日,麻省理工学院-哈佛大学博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)宣布,美国专利局批准了由他们所申请的基于 CRISPR/Cas9 系统的基因编辑技术专利。这是目前世界第一例获得专利保护的基于 CRISPR/Cas9 系统的基因编辑技术。

所谓基因编辑技术,是指对 DNA 核苷酸序列进行删除和插入等操作,换句话说,基因编辑技术使得人们可以依靠自己的意愿改写 DNA 这本由脱氧核苷酸写而成的生命之书。然而长期以来,对 DNA 的编辑只能通过物理和化学诱变、同源重组等方式来对 DNA 进行编辑。然而这些方法要么编辑位置随机,要么需要花费大量人力物力进行操作。因此,能够方便而精确的对 DNA 和核苷酸序列进行编辑,是科研工作者们长期以来的梦想。 CRISPR/Cas9 系统的诞生和成熟标志这这一梦想逐渐变为现实。此外不仅仅在科研界,在诸如医疗、农业、畜牧业等研究中,这一技术也显现除了巨大的应用前景。因此,这一技术获得专利,是该技术走向应用的里程碑式事件。

从细菌免疫系统到 DNA 编辑工具

CRISPR/Cas9 系统并非天生就是为人类使用而产生的。它的本质其实是细菌中一种对付诸如病毒等外来 DNA 的防御系统。在一些细菌基因组中存在一系列成簇排列的 DNA 序列,被称作“规律间隔成簇短回文重复序列”(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,CRISPR)。这些重复序列的间隔序列,被发现和很多能够侵入细菌的噬菌体 DNA 序列相同。进一步研究发现,这些序列在被转录成为 RNA 后,能够和细菌产生的一类称为 Cas 的蛋白质形成复合体,来对 Cas 蛋白起到导向作用,因此这段 RNA 也被称为导向 RNA (guide RNA , gRNA )。当复合体检测到入侵的 DNA 和 gRNA 序列一致时, Cas 蛋白就能够切割入侵的 DNA ,达到防御的目的。

注:严格来说,在细菌体内 gRNA 由两部分组成:一部分为活化 Cas 蛋白所需的tra crRNA ,另一部分为来自于间隔区、识别入侵 DNA 的 crRNA 。在人工构建的 CRISPR/Cas9 系统载体中,这两段 RNA 可融合为一条。

CRISPR- Cas 系统这种序列特异性的 DNA 切割机制很快引起了人们的兴趣。由于这一系统能够切割 DNA ,并且其序列特异性由 crRNA 的序列所决定,因此它成为了 DNA 编辑的理想工具。细菌中的CRISPR- Cas 系统极为多样,而一个来自产脓链球菌(Streptococcus pyogenes)的由 Cas9 蛋白参与的系统被人们研究的最为透彻。因此人们对它进行了改造,将编码 Cas9 蛋白的序列及其附属元件共同制造成为一个单一的载体。同时为了能够让这些组分进入真核细胞的细胞核,还加入了入核信号元件。这样一来,只要科研人员只需针对需要编辑的 DNA 序列合成一段 DNA 序列,插入这个载体的特定部位。在转入宿主细胞后,产生的人工构建的 gRNA 就能指导 Cas9 蛋白切割宿主细胞特定的 DNA 序列,从而起到基因编辑的作用。

DNA 编辑的广泛前景

CRISPR/Cas9 系统,被称为第三代基因编辑技术。相比于它的两位前辈ZFN系统和TALEN系统,它有着一些无可比拟的优点:

首先, CRISPR/Cas9 系统的可用位置更多。理论上基因组中每8个碱基就能找到一个可以用 CRISPR/Cas9 进行编辑的位置,可以说这一技术能对任一基因进行操作,而TALEN和ZFN系统则在数百甚至上千个碱基中才能找到一个可用位点,这大大限制了使用范围。

其次, CRISPR/Cas9 系统更具有可拓展性,例如可以通过对 Cas9 蛋白的修饰,让它不切断 DNA 双链,而只是切开单链,这样可以大大降低切开双链后带来的非同源末端连接造成的染色体变异风险。此外还可以将 Cas9 蛋白连接其他功能蛋白,来在特定 DNA 序列上研究这些蛋白对细胞的影响。

第三,更为重要的是, CRISPR/Cas9 系统的使用极为方便,只需要简单的几步就能完成,几乎任何实验室都可以开展工作,而不需要向 ZFN 和 TALEN 那样借助商业公司的协助完成。

由于以上特点, CRISPR/Cas9 被评为 2013 年生物学 10 大突破之一。值得说明的是, CRISPR/Cas9 系统在真核细胞中很多重要的研究,都是由华人学者张峰主持完成的。

由于来源于细菌的 CRISPR/Cas9 系统在真核细胞内也能很好的工作,这显示出了其巨大的应用潜力。例如在基础科学研究领域, CRISPR/Cas9 系统最多的是被用来定点敲除一些基因,从而便于研究这些基因的生物学功能。同时 CRISPR/Cas9 系统的商业化应用潜力也不容小视。例如在生物治疗领域,结合诱导多能干细胞(iPS)技术,人们可以将通过基因编辑修复的iPS细胞重新发育为正常组织和器官来供病人使用。而在家畜育种等工作中,对一些关键性状基因的编辑能够大大加快良种的育种速度。

正是由于 CRISPR/Cas9 的诸多优秀特点和广泛的应用前景,因此它成为了专利申请的热门方面。尽管已经有多份应用CRISPR序列或 Cas 蛋白的技术专利,但这次 Broad 研究所获得批准的是第一份将一整套 CRISPR/Cas9 系统载体和操作方法包括在内的专利。这意味着今后使用这一技术进行基因编辑操作都将涉及这份专利所保护的内容。那么,专利的批准是否会妨碍这一技术的使用呢?目前来看,基础研究受到影响的可能性不大,因为 Broad 研究院的主任埃里克·兰德(Eric Lander)在专利宣布的新闻稿中表示:“考虑到 Broad 研究所的使命是为了加速我们对于疾病的理解和治疗,因此我们承诺授权给全球的研究团队使用这种技术的权利。”但是,在更有利可图的商业化应用领域,这一专利的出现是否会对使用该技术的企业造成影响还有待观察,毕竟 Broad 研究所在上述表态之外还有一句:“享有这一专利的限制权”。

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Broad Institute awarded first patent for engineered CRISPR-Cas9 system

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