最新技术－基因操作转折点

来自美国麻省总医院分子病理学系及癌症研究中心，德国柏林洪堡大学Charité医学院（Charité Medical School，生物通注）等多处研究机构的研究人员发展了一种基因组研究及医学研究强有力的新工具，这种新技术能帮助研究人员获得人工合成的酶，从而靶向和操作需要修复或者不活跃的DNA序列。这一研究成果公布在7月25日的《Molecular Cell》杂志上。

　　

生物通报道：来自美国麻省总医院分子病理学系及癌症研究中心，德国柏林洪堡大学Charité医学院（Charité Medical School，生物通注）等多处研究机构的研究人员发展了一种基因组研究及医学研究强有力的新工具，这种新技术能帮助研究人员获得人工合成酶，从而靶向和操作需要修复或者不活跃的DNA序列。这一研究成果公布在7月25日的《Molecular Cell》杂志上。

参与这一研究的，Arnold与Mabel Beckman中心（Arnold and Mabel Beckman Center）主任Dan Voytas博士表示，这一发现意义重大，在人类治疗学的进程中，研究人员的目标是纠正遗传失序或者治愈疾病，而针对植物，科学家们则希望能让植物具有更对抵抗病原体的抗性，产量更高，或者更好的胁迫应激性。而这种方法可以在许多种类的细胞中（包括植物与人类）进行有效的诱导特异性基因组修改，从而达到研究人员的目的，并且这种方法首次得以公开，其他研究人员可以免费获得。

Voytas说，“这种方法将是进行基因组操作方法的一种转折点”，“能帮助任何研究人员对遗传物质进行修改”。在这篇论文中，Voytas等人也详细讲解了这种方法，即如何利用特殊的锌指核酸酶（zinc-finger nucleases ，ZFNs）进行操作的方法，其他研究人员可以参考进行操作。

锌指蛋白是英国剑桥分子生物学实验室的艾伦·克卢格于1985年发现的。它载有一种核酸酶，可以与基因黏附，并使基因永久开启或闭合。 利用这种锌指核酸酶结合到染色体的某个特殊位点（即存在基因缺陷的位点），就可以将该位点的DNA剪切掉，从而使这一基因得以修复。

但是这一技术一直以来被Sangamo生物公司所垄断（Sangamo公司只与部分科研机构合作），现在这种形势得到了改变，在哈佛医学院病理学助理教授J. Keith Joung的带领下，研究人员提出了制造ZFNs的一种开放方式（OPEN, 即Oligomerized Pool ENgineering）。即建立了66个锌指库，选择性地针对不同的DNA序列。从这些库中建立的ZFNs在测试一个植物基因和三个人类基因时能达到约1－50％的高效率，这种效率可以与Sangamo、经典基因方法相媲美。

Joung认为，“最近的研究表明ZFNs能对像是果蝇，线虫，班玛鱼这样的模式动物，植物和一些人类细胞，进行高效的基因修改，我们的这个方法能帮助学院研究人员快速获得高质量的ZFNs，并将在生物学研究，以及基因治疗中发挥作用。”

6家研究机构的实验结果证实了这一方法能快速地获得诱导三种生物学意义上重要的人类基因，以及一种植物基因发生改变的ZFNs，并且可以达到预先改造基因的效率高达一半的比例，而传统的基因疗法改造基因的效率只有1%。

“我们的研究首次证明了ZFNs能在植物基因中高效的进行修改，为植物遗传修饰开辟了一条新的道路”，Voytas说。同时Joung也表示，“随着OPEN的发展，更多的学术实验室能在其研究项目中构建，检测和利用ZFNs，OPEN也将刺激一些研究进入应用阶段，比如针对一些单基因失序症，镰刀形红细胞贫血症（sickle-cell anemia），囊性纤维性变（cystic fibrosis）的治疗。”
（生物通：张迪）

注：

1.镰刀形红细胞贫血症（sickle-cell anemia）


血红蛋白分子结构异常的遗传性疾病，主要症状是贫血。病人衰弱、头晕、气短、心脏有杂音和脉搏增高；血液血红蛋白（Hb）含量仅及正常人（每100毫升血15～16克）的一半；红细胞不仅数量少而且异常；出现许多长而薄，看起来像镰刀的新月形红细胞。当血液脱氧合（不携氧）时，镰刀形细胞大大增多。这种细胞极脆，易破损造成血液血红蛋白低水平。更严重的后果是某些器官的毛细血管被这些长形异常细胞堵塞，这是许多镰刀形红细胞贫血症病人早死的主要原因。镰刀形红细胞贫血病是从双亲处接受Hb突变基因的一种遗传病。只从父母一方得到此异常基因，则仅有约1％的红细胞镰刀形化，这种人只有轻微的镰刀形红细胞贫血症症状，如避免强烈的运动或其他使循环系统紧张的状态，可过完全正常的生活。镰刀形红细胞贫血症是一种“分子病”，即分子结构、特别是蛋白质分子结构发生遗传性变化而造成的病变。异常血红蛋白β链的第6位谷氨酸被缬氨酸所代替。这个疏水氨基酸正好适合另一血红蛋白分子β链EF角上的“口袋”，这使两条血红蛋白链互相“锁”在一起，最终与其他血红蛋白链共同形成一个不溶的长柱形螺旋纤维束，使红细胞扭旋成镰刀形。至于为什么脱氧合血红蛋白镰刀形化而氧合血红蛋白（携氧）不镰刀形化？可以简单解释为：在氧合形式中，血红蛋白亚基的重新排列使β链的口袋不能接受相邻的血红蛋白分子。


2.囊性纤维性变(cystic fibrosis)

囊性纤维性变以前也称为粘滞病或粘液粘稠病(mucoviscidosis)，（稠是说液体中含有某种成分很多的固体，跟 ‘稀’有相对意义）是一种严重隐性基因(autosomal recessive)遗传病。这遗传病的父母都带有隐性致病基因(recessive gene)，不过，他们表面上都是正常无恙。可是母亲每次怀孕时，胎儿就有25%的机会从父母双方各自获得致病基因以致患上遗传病。而胎儿有50%的机会，一如父母一样，带有隐性致病基因。胎儿只有25%的机会完全正常。

囊性纤维性变早在1936年首次在医学文献报道，它的特征是全身的外分泌腺（不是内分泌腺）的功能出了问题，牵连到身体很多器官都有毛病，尤其是肺部和消化道为甚。囊性纤维性变是在欧美最常见及死亡最多的遗传病。

原文摘要：

Molecular Cell, Vol 31, 294-301, 25 July 2008
Technique
Rapid “Open-Source” Engineering of Customized Zinc-Finger Nucleases for Highly Efficient Gene ModificationRapid “Open-Source” Engineering of Customized Zinc-Finger Nucleases for Highly Efficient Gene Modification
[Abstract]