許多危及生命的疾病僅通過改變通用遺傳DNA編碼中的單核苷酸構(gòu)件而引起或加劇。這種“點(diǎn)突變”可以將人體內(nèi)的單個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槔^續(xù)生長成腫瘤的癌細(xì)胞，或者它們可以將抗生素敏感性變成抗生素抗性細(xì)菌，從而導(dǎo)致無法治愈的感染。在理想的世界中，臨床醫(yī)生能夠在創(chuàng)建細(xì)胞后立即去除具有這種有害點(diǎn)突變的細(xì)胞，從而更有效地對(duì)抗疾病。

Wyss生物啟發(fā)工程研究所的一個(gè)研究小組現(xiàn)在在美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)上報(bào)道，它通過將CRISPR / Cas9基因組工程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為基因組監(jiān)測工具，實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步。由Wyss研究所核心學(xué)院成員喬治·丘奇和詹姆斯·柯林斯領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種體內(nèi)突變預(yù)防方法，該方法能夠使DNA切割Cas9酶區(qū)分基因組靶位點(diǎn)，這些位點(diǎn)不同于單個(gè)核苷酸，并專門切割不需要的基因組。在細(xì)菌大腸桿菌中進(jìn)行的概念驗(yàn)證研究在培養(yǎng)物或小鼠胃腸道中生長的菌株，該方法可以防止抗生素抗性變體的存活。

通過具有互補(bǔ)序列的小指導(dǎo)RNA將Cas9酶引導(dǎo)至其基因組靶序列。一旦在感興趣的基因上定位，Cas9就像一把分子剪刀，在一個(gè)確定的位置切割目標(biāo)序列。如果修復(fù)，這種故意引入的損傷允許生物學(xué)家編輯細(xì)胞的基因組，但如果不修復(fù)，它將導(dǎo)致細(xì)胞死亡。然而，盡管該系統(tǒng)在許多生物的基因組中發(fā)現(xiàn)和切割目標(biāo)序列的有效性，但是讓Cas9在次要而非完全相同的位點(diǎn)隨機(jī)切割的非特異性活性仍然給基因組工程師帶來了問題。這也意味著攜帶不希望的點(diǎn)突變的靶序列通常不能被Cas9與其正常對(duì)應(yīng)物充分區(qū)分并被選擇性地除去。

“通過專注于指導(dǎo)RNA特征，我們的方法大大提高了Cas9的特異性，可以明確區(qū)分單核苷酸多態(tài)性和消除不需要的遺傳變異，”George Church博士說，他也是遺傳學(xué)教授。哈佛醫(yī)學(xué)院(HMS)和哈佛大學(xué)健康科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和麻省理工學(xué)院(MIT)。“我們的方法開辟了一種全新的方式來思考未來的疾病預(yù)防。”

以前的研究表明，矛盾的是，指導(dǎo)RNA與其靶序列之間的某些錯(cuò)配不會(huì)影響Cas9切割DNA中特定位點(diǎn)的能力。“我們假設(shè)對(duì)于給定的一對(duì)點(diǎn)突變不同的靶標(biāo)，可以在指導(dǎo)RNA中發(fā)現(xiàn)一組錯(cuò)配，這將消除Cas9對(duì)正常序列的活性，同時(shí)保持對(duì)具有有害點(diǎn)突變的活性的強(qiáng)烈活性。這項(xiàng)研究的第一位也是共同通訊的作者亞歷杭德羅·查韋茲博士說，這將阻止一個(gè)細(xì)胞在出生后立即出現(xiàn)寒冷的細(xì)胞，他是HMS的博士后研究員。由Church和Collins指導(dǎo)，現(xiàn)任哥倫比亞大學(xué)助理教授。

為了開發(fā)他們的方法，該團(tuán)隊(duì)利用細(xì)菌酶中發(fā)生的已知點(diǎn)突變，為病原體提供抗生素抗性。通過關(guān)注這些突變中的一些并通過具有不同錯(cuò)配組合的指導(dǎo)RNA變體進(jìn)行篩選，他們能夠鑒定刺激Cas9對(duì)突變基因序列的活性但未接觸正常對(duì)應(yīng)物的特異性指導(dǎo)RNA。

“突變預(yù)防系統(tǒng)不僅在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)的大腸桿菌菌株中保持抗生素敏感性，而且還在用于定殖生殖小鼠胃腸道的細(xì)菌中保持抗生素敏感性。這些多日小鼠實(shí)驗(yàn)涉及持續(xù)抗生素給藥并證明即使面臨潛在的重大環(huán)境壓力，該系統(tǒng)也非常強(qiáng)大，“共同第一作者Benjamin Pruitt說道，他是Wyss研究所前任職員研究科學(xué)家，現(xiàn)在是ReadCoor公司的首席研發(fā)工程師。

除了具有未來疾病預(yù)防的潛力外，研究人員還認(rèn)為，他們的突變預(yù)防系統(tǒng)可以更直接地用于幫助生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)保護(hù)大規(guī)模培養(yǎng)物免于獲得使其無效或易于污染的突變，并研究微生物進(jìn)化。

“這一策略使我們有機(jī)會(huì)研究微生物的進(jìn)化機(jī)制。例如，我們現(xiàn)在能夠預(yù)防經(jīng)常發(fā)生的賦予抗生素抗性的突變，并詢問哪些其他遺傳變化可能導(dǎo)致相同的結(jié)果。這可能會(huì)提高我們對(duì)阻力機(jī)制并可能提供新的治療切入點(diǎn)，“詹姆斯柯林斯博士說，他也是麻省理工學(xué)院(麻省理工學(xué)院)醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)的Termeer教授和麻省理工學(xué)院生物工程教授。

“Wyss研究所的這項(xiàng)合作努力已經(jīng)在CRISPR / Cas9領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全新的創(chuàng)新，可以為全新的方法預(yù)防和治療各種疾病，”Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber博士說。 ，博士，同時(shí)也是HMS血管生物學(xué)的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及哈佛John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的生物工程教授。