最近基因編輯技術(shù)的飛躍使得十年前的想法看起來(lái)像科幻小說(shuō)走向了現(xiàn)實(shí)的尖端。

已經(jīng)著名的CRISPR系統(tǒng)允許科學(xué)家通過(guò)切割和替換DNA切片編輯有缺陷的基因，但新的和改進(jìn)的CRISPR技術(shù)已將CRISPR的手術(shù)刀擴(kuò)展為瑞士軍刀。這些新工具使研究人員能夠更靈活地控制基因功能，而無(wú)需永久改變生物體的遺傳密碼。

這些多功能工具有助于解決癌癥和自身免疫性疾病等疾病的復(fù)雜遺傳問(wèn)題。他們可以確定藥物開(kāi)發(fā)的新目標(biāo)，或指出有朝一日可能針對(duì)失明或肥胖相關(guān)遺傳缺陷的基因療法。

這些新技術(shù)的基礎(chǔ)，被稱(chēng)為CRISPR-dCas9，由加州大學(xué)舊金山分校的研究人員Jonathan Weissman博士于2013年發(fā)明。Stanley Qi，博士(現(xiàn)在斯坦福大學(xué));和Wendell Lim，博士

他們采用了CRISPR系統(tǒng)，因其能夠靶向和剪切DNA片段而聞名，并突變基因切割蛋白Cas9以創(chuàng)建dCas9。稱(chēng)為CRISPRa(用于激活)和CRISPRi(用于干擾)的變體仍然靶向基因，但可以交換不同的分子工具來(lái)上調(diào)或下調(diào)基因表達(dá)。

Lim是細(xì)胞和分子藥理學(xué)系的主席，他將dCas9比作一種通用適配器，可以通過(guò)DNA堿基配對(duì)識(shí)別任何基因，然后用蛋白質(zhì)附件調(diào)節(jié)該基因。

“CRISPR-dCas9是一種非常強(qiáng)大的方式，可以在基因組的任何部分招募任何你想要的東西，”微生物學(xué)和免疫學(xué)助理教授，醫(yī)學(xué)博士，采用新工具的眾多研究人員之一Alexander Marson博士說(shuō)。在他們的工作中。

促進(jìn)健康基因治療肥胖癥

在加州大學(xué)舊金山分校藥學(xué)院生物工程和治療科學(xué)系教授Nadav Ahituv博士的實(shí)驗(yàn)室中，研究人員已經(jīng)在老鼠身上發(fā)現(xiàn)可以糾正導(dǎo)致嚴(yán)重肥胖的遺傳缺陷。

健康的老鼠 - 和人類(lèi) - 有兩個(gè)基因拷貝(一個(gè)遺傳自每個(gè)父母)。完全廢除基因功能的一個(gè)拷貝中的缺陷(稱(chēng)為單倍體不足)可導(dǎo)致疾病。例如，具有涉及體重的特定基因的一個(gè)缺陷拷貝的小鼠傾向于過(guò)度飲食并變得肥胖。Ahituv意識(shí)到在這種情況下，有機(jī)會(huì)獲得潛在的治療效果。“這里的訣竅是你仍然有一個(gè)現(xiàn)有的副本，這很好，”他說(shuō)。

他的研究小組轉(zhuǎn)向在加州大學(xué)舊金山分校開(kāi)發(fā)的CRISPR工具之一CRISPRa，以瞄準(zhǔn)并提升該基因的健康拷貝，補(bǔ)償其破碎的雙胞胎。他們將CRISPRa系統(tǒng)包裝在病毒中，將其傳遞到神經(jīng)元細(xì)胞并將病毒注射到小鼠體內(nèi)。

治療過(guò)的小鼠停止暴飲暴食并很快減肥。當(dāng)研究人員檢查目標(biāo)基因的表達(dá)水平時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了正常水平。九個(gè)月后，小鼠保持正常體重，Ahituv說(shuō)，因?yàn)樯窠?jīng)元不分裂，這些變化可能持續(xù)到動(dòng)物的一生。

這種肥胖相關(guān)基因的單倍體功能不足是造成人們嚴(yán)重肥胖的一小部分病例的原因。Ahituv說(shuō)，考慮到美國(guó)人口中肥胖率很高，即使是這么小的百分比也代表了很多人。

他的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正在研究其他五種單倍體不足的疾病，特別是神經(jīng)疾病和腎臟疾病，作為CRISPRa治療的候選者，盡管在該技術(shù)可以在人體中進(jìn)行試驗(yàn)之前還需要做更多的工作。

研究人員承認(rèn)，在將新的CRISPR工具轉(zhuǎn)化為人類(lèi)療法時(shí)，他們將面臨重大挑戰(zhàn)。安全和精確的傳遞方法將是關(guān)鍵，因?yàn)榇_保遺傳變化是持久的。

揭示隱藏的開(kāi)關(guān)

即使這些新的CRISPR工具暗示了基因治療的新途徑，它們已經(jīng)通過(guò)揭示構(gòu)成疾病的復(fù)雜遺傳相互作用開(kāi)辟了其他療法的領(lǐng)域。

根據(jù)加州大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)教授，格萊斯頓研究所高級(jí)研究員，研究中使用CRISPRi及其相關(guān)技術(shù)的醫(yī)學(xué)博士Bruce Conklin所說(shuō)，最直接的回報(bào)可能是確定新的治療目標(biāo)。

“這些技術(shù)的強(qiáng)大之處在于，可以在一次實(shí)驗(yàn)中測(cè)試數(shù)千種不同的藥物目標(biāo)。這已經(jīng)為潛在有用的藥物提供了幫助，”他說(shuō)。

據(jù)估計(jì)，98%的DNA不會(huì)編碼蛋白質(zhì)，而是作為2%的交換機(jī)。使用常規(guī)遺傳技術(shù)研究這些所謂的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子可能是神秘且耗時(shí)的。

通過(guò)CRISPRa，Marson的實(shí)驗(yàn)室可以快速篩選基因組中的20,000多個(gè)非編碼位點(diǎn)并研究它們的功能 - 主要是通過(guò)翻轉(zhuǎn)許多開(kāi)關(guān)并查看哪些開(kāi)關(guān)打開(kāi)燈。“這是確定遺傳因素功能意義的關(guān)鍵步驟，”馬森說(shuō)。

在最近的CRISPRa屏幕上，Marson的實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)伯克利分校的Jacob Corn博士實(shí)驗(yàn)室合作，確定了幾種與炎癥和自身免疫性疾病相關(guān)的增強(qiáng)劑。事實(shí)上，其中一種新發(fā)現(xiàn)的增強(qiáng)子與已知會(huì)增加腸易激綜合癥風(fēng)險(xiǎn)的常見(jiàn)遺傳變異相匹配，盡管其機(jī)制以前一直是個(gè)謎。

Lim已經(jīng)觀察了他幫助開(kāi)拓的CRISPR-dCas9方法在短短幾年內(nèi)傳播到世界各地的研究實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)PubMed的數(shù)據(jù)，從2013年到2015年底，49篇論文在其標(biāo)題或摘要中包含了dCas9這一術(shù)語(yǔ)。從2016年到2018年6月，242篇論文引用了相同的術(shù)語(yǔ) - 增加了近五倍。

“這項(xiàng)技術(shù)在短短幾年內(nèi)傳播的速度令人驚訝。”林說(shuō)。“它說(shuō)明了簡(jiǎn)單核心概念的靈活性。”