华裔学者Nature子刊提高CRISPR/Cas9基因组编辑精确度

【字体: 时间:2015年04月27日 来源:生物通

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  David Liu领导科学家小组开发出了一种可以用一个药物样小分子开启的Cas9工程酶。通过利用这种可激活形式的Cas9,研究小组以比标准形式Cas9高25倍的特异性改变了人类基因组中的靶标。他们的研究论文发表在近期的《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)杂志上。

  

生物通报道  想象一下如果有一天科学家们能够在实验室中改变生物的DNA来寻找一大堆问题的答案,或是医生可以通过给予一些药物改变患者的基因组来治疗遗传疾病,会怎么样?

这或许听起来就像是科幻小说,但随着基因组编辑蛋白Cas9和CRISPR的发展,终有一天会变为科学事实。

而在这之前,科学家们必须克服许多的挑战,包括如何提高这些蛋白质的特异性——在确保基因组编辑蛋白改变靶DNA序列速率的同时,避开相似的脱靶序列。

哈佛大学化学及化学生物学教授David Liu和同事们已经开始着手攻克这一挑战。

David Liu领导科学家小组开发出了一种可以用一个药物样小分子开启的Cas9工程酶。通过利用这种可激活形式的Cas9,研究小组以比标准形式Cas9高25倍的特异性改变了人类基因组中的靶标。他们的研究论文发表在近期的《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)杂志上。

David Liu说:“这项研究旨在通过准确控制Cas9激活的时间来提高基因组编辑的特异性。我们改造出了只在我们提供细胞给一种无害的、药物样小分子时才会激活的Cas9形式。我们证实利用这一系统有可能可以获得高效的基因组编辑,因为在Cas9拥有足够的时间改变靶基因后,你可以通过不再提供这种小分子来阻止活性Cas9生成,由此你限制了发生脱靶基因组修饰的机会。”

David Liu说他的实验室采用了两种方法来提高基因组编辑蛋白的特异性。第一种,也是最明显的是,改造出识别较长遗传序列的蛋白,这使得要求更完美匹配的DNA序列它们才会有效地编辑DNA,因而较难结合脱靶位点。第二种方法是基于对基因组编辑蛋白的认识,不同于传统的生物学工具和疗法,它们只需要在非常有限的时间内激活。

利用一种小分子来控制Cas9这一想法源于David Liu和同事们认识到,不同于所有其他的药物治疗或实验室使用的工具,基因组编辑并非“稳态”化学。

举例来说,David Liu指出大多数疾病的治疗方式都是一个稳态过程。如果某人受到了一种病原体的感染,而这种病原体需要某种酶来进行繁殖,传统的疗法就会给予一种药物来阻断这种酶。

David Liu说:“你所做的就是在推动一种平衡状态。细菌设法生成这种酶,你供应一种药物来抑制该酶。如果你停止供应药物,这种酶可以恢复活性,但如果你一直供应药物,细菌就会死去。”与之相反,基因组编辑蛋白的任务并非是扰乱一个稳态过程。

“在人类细胞中,你想改变的只有一个或两个底物分子——你从父母那里得到的基因拷贝。一旦基因组编辑蛋白处理完这一个或两个靶分子,其在细胞中唯一可做的事情就是干坏事。”

“我们的方法源自基因组编辑并非一个稳态过程这一简单认识。因此我们希想得到的是足以改变一个或两个目标基因拷贝的短时间的基因组编辑活性,随后就除去这种基因组编辑活性,决不允许它回到细胞中。”

为了获得短时间的Cas9活性,David Liu和同事们改造出了只有当存在一种药物样小分子时才会激活的Cas9形式。

“几乎所有发表的基因组编辑研究都利用的是生成很多基因组编辑因子的载体,往往没有必要的时间限制——它们可以在数天或更长的时间持续生成基因组编辑蛋白。有了这一系统,我们可以用这一小分子刺激细胞让Cas9开启数小时,然后不再供应它,蛋白质就会自然地降解。在小分子的刺激过去后所有生成的Cas9蛋白都将会自然地失去活性。”

随着技术不断地改进,David Liu预计像Cas9和CRISPR一类的工具有一天将会变得非常精确,降低至自然的、自发的突变率以下。

“每天你的基因组中都会出现一定数量的突变。关键在于确保这一技术所能带来的利益超过风险。如果我们可以将不必要的基因组修饰比率降至自发突变水平之下,知道向一名人类患者提供一种基因组编辑因子不会显著提高患者形成癌症或其他遗传疾病的风险,无疑是一种安慰。”

尽管努力提高Cas9和其他基因组编辑因子非常重要,David Liu说他也支持近期加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授和其他科学家们提出的想法:即应暂停在人类中使用这一技术直至更好地认识它们的风险以及评估它们的安全性(延伸阅读:Nature:中国科学家用CRISPR/Cas9改造人类胚胎 )。

David Liu说:“这是一种新技术,人们普遍认为它可以在包括人类细胞在内的几乎所有细胞类型中发挥效应。我认为明智的做法就是抢先在科学家和其他的社会成员之间建立对话,确保这些工具的开发及应用都经过了深思熟虑。”

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

Small molecule–triggered Cas9 protein with improved genome-editing specificity

Directly modulating the activity of genome-editing proteins has the potential to increase their specificity by reducing activity following target locus modification. We developed Cas9 nucleases that are activated by the presence of a cell-permeable small molecule by inserting an evolved 4-hydroxytamoxifen–responsive intein at specific positions in Cas9. In human cells, conditionally active Cas9s modify target genomic sites with up to 25-fold higher specificity than wild-type Cas9.

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