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CRISPR技术纠正遗传缺陷

CRISPR技术纠正遗传缺陷

研究人员首次将基因组编辑技术 CRISPR 运用于人类细胞,距离现在还不到 1 年的时间。很快地这一技术便已星火燎原。现在来自上海生科院生物化学与细胞生物学研究所和荷兰 Hubrecht 研究所的两个独立研究小组证实,可以利用 CRISPR 在小鼠和人类干细胞中改写遗传缺陷,有效地治疗疾病。

未参与这两项研究杜克大学基因组学研究人员 Charles Gersbach 表示:“这两项研究的重要意义在于:将 CRISPR 带到了它的下一个应用阶段,在这两个研究中它纠正了致病突变。”

CRISPR 代表的意思是成簇的规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)。这些RNA序列是古细菌和细菌在长期演化过程中形成的抵御病毒等外来 DNA 的一种获得性免疫防御机制,然而在过去 1 年的时间里,科学家们利用了它们来重写基因。这一 RNA 序列可充当引导将一段 DNA 序列靶向插入到受精卵或干细胞中。这一引导序列将 Cas9 酶引导到目的 DNA 处。Cas9 可以切割双链,使其断裂,或甚至关闭基因表达。在 Cas9 损伤 DNA 后,修复系统会修复序列,新序列就可以插入其中。

CRISPR技术纠正遗传缺陷

在第一篇研究论文中,来自上海生命科学院的李劲松(Jinsong Li)研究员领导研究小组,利用 CRISPR/Cas9 取代了引起小鼠白内障的一个单碱基对突变。研究人员设计了一种引导 RNA 将 Cas9 引导到突变等位基因处,诱导了 DNA 切割。随后他们利用其它野生型等位基因或寡核苷酸向受精卵提供修复机制,纠正了破坏的等位基因序列。

李劲松说,33% 的注入 CRISPR/Cas9 的突变体受精卵长成了无白内障小鼠。但他认为这一技术的效率还是很低,用于临床这一效率应该达到 100%。

加州大学伯克利分校的 CRISPR 技术领导者 Jennifer Doudna 说:“这是第一次在完整动物中利用 CRISPR 来治疗疾病,这一突破是鼓舞人心的。两项研究都证实了利用这一技术来纠正致病突变的潜力,令人极其兴奋之处正在于此。”

CRISPR技术纠正遗传缺陷

在另一项研究中,来自荷兰 Hubrecht 研究所的干细胞研究人员 Hans Clevers 领导研究组,利用 CRISPR/Cas9 在人类干细胞中纠正了与囊性纤维化有关的缺陷。该研究小组的目标是编码 CFTR(囊性纤维化跨膜转导受体)的基因。CFTR 缺失可导致囊性纤维化患者的蛋白质错误折叠。

利用来自两名囊性纤维化患儿细胞样品的培育肠干细胞,Clevers 研究小组通过 CRISPR 以及一个包含插入修补序列的供体质粒,纠正了这一缺陷。随后研究人员将这些细胞培育成了微型肠证实其功能正常。Clevers 说,在这种情况下大约一半的克隆类器官获得了适当的遗传纠正。

在两项研究中,研究人员均没有对现有 CRISPR 实验方案进行重大的修改。Clevers 说,相比于其他基因标记技术, CRISPR 是直接性的。“我们尝试了 TALENs 和锌指(Zinc finger)方法, CRISPR 极其快速和简单。”李劲松同意这一说法,他说:“我认为相比于其他可用的基因编辑技术, CRISPR/Cas9 有可能是最简单的遗传病治疗策略。”

CRISPR 的一个局限是,这种方法可以导致脱靶效应,改变靶 DNA 之外其他的位点。Gersbach 说:“在两项研究中脱靶效应相对少见。尽管降低脱靶效应是当务之急,但认为你能够摆脱所有的脱靶效应是不现实的。”

尽管这一方法还远未准备就绪,两项研究的结果均显示出了未来临床应用的潜力。“我认为每次获得一点像这样的进展,人们就能够更加确信这一技术有可能用于治疗人类,”Doudna 说。

原文检索:

Yuxuan Wu, Dan Liang, Yinghua Wang, Meizhu Bai, Wei Tang, Shiming Bao, Zhiqiang Yan, Dangsheng Li, Jinsong Li. Correction of a Genetic Disease in Mouse via Use of CRISPR -Cas9. Cell Stem Cell, 5 December 2013; DOI: 10.1016/j.stem.2013.10.016

Gerald Schwank, Bon-Kyoung Koo, Valentina Sasselli, Johanna F. Dekkers, Inha Heo, Turan Demircan, Nobuo Sasaki, Sander Boymans, Edwin Cuppen, Cornelis K. van der Ent, Edward E.S. Nieuwenhuis, Jeffrey M. Beekman, Hans Clevers. Functional Repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in Intestinal Stem Cell Organoids of Cystic Fibrosis Patients. Cell Stem Cell, 5 December 2013; DOI: 10.1016/j.stem.2013.11.002

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