新的基因編輯技術(shù)恢復(fù)了部分失明動物的視力
索爾克研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個基因編輯的圣杯——第一次將DNA插入目標(biāo)位置的非分裂細(xì)胞的能力,這些細(xì)胞構(gòu)成了成人的大部分器官和組織。研究小組表示,這項技術(shù)能夠部分恢復(fù)失明嚙齒類動物的視覺反應(yīng),將為基礎(chǔ)研究和視網(wǎng)膜、心臟和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等多種治療開辟新途徑。
索爾克基因表達(dá)實驗室教授胡安·卡洛斯·伊茲皮蘇亞·貝爾蒙特說:“我們對我們發(fā)現(xiàn)的這項技術(shù)感到非常興奮,因為這是以前做不到的。”貝爾蒙特是這篇發(fā)表在2016年11月16日《自然》雜志上的論文的資深作者。“這是第一次,我們可以進(jìn)入細(xì)胞,不分裂和修改DNA的意志。這一發(fā)現(xiàn)的潛在應(yīng)用是巨大的。
到目前為止,利用細(xì)胞的正常復(fù)制機(jī)制,修改dna(如CRISPR-Cas9系統(tǒng))的技術(shù)在分裂細(xì)胞(如皮膚細(xì)胞或腸道細(xì)胞)方面最為有效。新的索爾克技術(shù)在將新的DNA整合到細(xì)胞分裂培養(yǎng)基中的效率是其他方法的10倍,這使得它成為一種很有前途的研究和醫(yī)學(xué)工具。但更重要的是,索爾克技術(shù)代表著科學(xué)家首次成功地將一種新基因插入不再分裂的成年細(xì)胞(如眼睛、大腦、胰腺或心臟細(xì)胞)的精確DNA位置,為這些細(xì)胞的治療應(yīng)用提供了新的可能性。
為了達(dá)到這個目的,索爾克的研究人員瞄準(zhǔn)了一種叫做NHEJ(非同源末端連接)的DNA修復(fù)細(xì)胞通路,這種通路通過重新連接原鏈末端來修復(fù)常規(guī)的DNA斷裂。他們將這一過程與現(xiàn)有的基因編輯技術(shù)進(jìn)行配對,成功地將新的DNA植入非分裂細(xì)胞的精確位置。
“使用這種NHEJ途徑插入全新的DNA,對于編輯活體成年生物體的基因組來說是革命性的,”伊茲皮蘇亞貝爾蒙特實驗室(Izpisua Belmonte lab)高級研究員、論文主要作者之一鈴木敬一郎(Keiichiro Suzuki)說。“以前沒有人這么做過。”
首先,索爾克團(tuán)隊致力于優(yōu)化NHEJ機(jī)制,使之與CRISPR-Cas9系統(tǒng)一起使用。CRISPR-Cas9系統(tǒng)允許DNA在基因組中非常精確的位置插入。該團(tuán)隊創(chuàng)建了一個由核酸雞尾酒組成的定制插入包,他們稱之為HITI,或同源獨立的靶向整合。然后他們用一種惰性病毒將HITI的基因指令包傳遞給從人類胚胎干細(xì)胞中提取的神經(jīng)元。
“這是第一個表明HITI可能在非分裂細(xì)胞中起作用的跡象,”該研究團(tuán)隊的科學(xué)家、聯(lián)合首席作者吳俊(Jun Wu)表示。在他們的努力下,研究小組成功地將這種結(jié)構(gòu)植入成年老鼠的大腦。最后,為了探索使用HITI基因替代療法的可能性,研究小組在色素性視網(wǎng)膜炎的大鼠模型上測試了這項技術(shù)。色素性視網(wǎng)膜炎是一種遺傳性視網(wǎng)膜變性,會導(dǎo)致人類失明。這一次,研究小組用HITI向3周大的老鼠的眼睛傳遞了一份Mertk的功能拷貝,Mertk是色素性視網(wǎng)膜炎中受損的基因之一。在大鼠8周大時進(jìn)行的分析顯示,這些動物對光有反應(yīng),并通過了幾項表明視網(wǎng)膜細(xì)胞愈合的測試。
“我們能夠改善這些失明老鼠的視力,”索爾克研究所的助理研究員、該研究的共同主要作者雷納·赫爾南德斯-貝尼特斯說。“早期的成功表明這項技術(shù)非常有前途。”
團(tuán)隊的下一步將是提高HITI構(gòu)造的交付效率。與所有的基因組編輯技術(shù)一樣,獲得足夠的細(xì)胞來整合新的DNA是一個挑戰(zhàn)。HITI技術(shù)的美妙之處在于它適用于任何目標(biāo)基因組工程系統(tǒng),而不僅僅是CRISPR-Cas9。因此,隨著這些系統(tǒng)的安全性和效率的提高,HITI的實用性也會提高。
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