来源生物探索

这是CRISPR领域的又一项突破性进展！最新发表在Cell杂志上的一篇论文描述了一种“无需切割DNA双链，通过激活基因表达”来实现基因组编辑的新CRISPR技术。更令人振奋的是，研究证实，这一新技术能够在小鼠中被用于治疗多种不同的疾病，有望绕过现有基因编辑技术治疗人类疾病的主要障碍。

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目前，科学家们对基因编辑技术，尤其是CRISPR-Cas9技术的大部分“热情”是集中在开发它们用于“插入或删除基因以及修复致病突变”。但CRISPR-Cas9技术（通常通过切断DNA双链发挥作用）存在的一个主要问题是，在某些时候，会留下新的突变，带来不确定的副作用。

12月7日，在线发表于Cell上的这项研究中，来自Salk生物学研究所的科学家们报道了一种“修改版”的CRISPR-Cas9技术——它的功能是改变疾病相关基因（disease-associated genes）的活性，而不是改变基因的序列。

Juan Carlos Izpisua Belmonte教授（图片来源：以下视频）

论文的通讯作者Juan Carlos Izpisua Belmonte教授说：“切割DNA会带来引入新突变的机会，可能会出现有害的错误——这是遗传学领域的一个重要瓶颈。”

为了避免引发这种有害的错误，Belmonte教授的实验室开发出了无需切割DNA的新CRISPR-Cas9系统。这一成果首次提供了证据证明，利用“表观遗传编辑技术”（epigenetic editing technology）能够改变动物的表型，并保持DNA完整性。 

1病不切割DNA的CRISPR技术

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具体来说，为了实现“表观遗传编辑”，科学家们使用了2个腺相关病毒（adeno-associated viruses，AAVs）作为载体。在其中一个AAV中，研究人员插入了表达Cas9酶的基因；同时，他们利用另一个AAV引入了短sgRNA（single guide RNA，指定了Cas9结合在小鼠基因组中的精确位置）以及一个转录激活剂（transcriptional activator）。

与先前大多数CRISPR-Cas9技术使用的由20个核苷酸组成的sgRNA相比，这一新技术中使用的“短sgRNA”只有14或15个核苷酸。研究人员表示，正是这一改变阻止了Cas9切割DNA。他们使用这种修改版的sgRNA来让转录激活剂与Cas9酶一起工作。

利用传统的CRISPR-Cas9技术时，研究人员首先需要构建一个sgRNA。sgRNA中包含一段与目标DNA匹配的序列，被附着在Cas9酶上。将Cas9-sgRNA复合物引入到目标细胞后，sgRNA会找到与其匹配的DNA序列，然后，Cas9酶结合目标DNA序列，切断双链。（图片来源：网络）

2治疗多种不同疾病

论文的共同第一作者Fumiyuki Hatanaka解释道：“我们希望在不切割DNA的前提下改变细胞的命运，并产生治疗效果。”

而在这一研究中，新CRISPR技术在多种疾病小鼠模型中实现了“疾病逆转”。具体来说，1）在急性肾脏疾病小鼠模型中，该技术激活了先前受损或沉默的基因，恢复了正常的肾功能；2）同时，借助该技术还能够诱导一些肝细胞分化成胰腺β样细胞（pancreatic beta-like cells，作用是产生胰岛素），部分挽救了1型糖尿病小鼠模型；3）此外，该技术还恢复了肌肉萎缩症小鼠模型的肌肉生长和功能。值得一提的是，研究人员并没有试图纠正与这一疾病相关的突变基因，而是增加了在相同通路中基因的表达。

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Belmonte教授强调：“我们并没有修复基因，突变依然存在。相反，我们是在表观基因组（epigenome）上做工作。我们的技术使相同通路中的其他基因表达得以恢复，这足以恢复这些突变小鼠的肌肉功能。”

对于这些成果，Hatanaka表示：“当我们看到这些小鼠中的结果时，我们是非常兴奋的。这表明，我们不仅借助该技术诱导了基因激活，同时，还引发了小鼠的生理学变化。”

3未来潜在治疗前景

这些初步的数据表明，新CRISPR技术是安全的，不会产生不想要的基因突变。不过，科学家们表示，在将这一技术带向临床前，他们将做更多的研究，以确保它的安全性、实用性和有效性。

Belmonte教授认为，这项技术有望成为治疗神经系统疾病（如阿尔茨海默症、帕金森病）的一种方法。就像该技术在小鼠模型中恢复了肾脏、肌肉和胰岛素生产功能一样，他看到了一个让神经元重新焕发活力的未来，甚至，有一天可能也会在人类患者中实现这一愿望。同时，这一技术还有望用于逆转衰老及相关疾病，如听力损失、黄斑变性。

参考资料：1）CRISPR-Cas9 technique targeting epigenetics reverses disease in mice

2）Salk scientists modify CRISPR to epigenetically treat diabetes, kidney disease, muscular dystrophy

3）In Vivo Target Gene Activation via CRISPR/Cas9-Mediated Trans-epigenetic Modulation

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