2021年度盘点:CRISPR基因编辑技术之不再是开“盲盒”

【字体: 时间:2021年12月09日 来源:生物通

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  近年来,CRISPR基因编辑技术一步步走向成熟,从最开始令人惊艳的新技术,到去年一举夺下诺贝尔化学奖的重要时刻,CRISPR基因编辑技术已经不再是单纯的基因敲除或敲入的手段,而是成为了多领域多方向的系列工具包。但它本身依然存在靶向和编辑效率等方面的不足。

  

编者按:疫情笼罩下的2021年生命科学领域不知道该说是好,还是坏,虽然在福布斯排行榜上依然有5位生命科学领域亿万富翁挺进前100名,但对于基层的科研工作者们来说,从科研资金,研究范式,课题选择,人员配备,甚至数据参考都发生了重要的变化,由此带来的困境有可能是泥潭,也有可能是纵身一跃的机会。在这个背景下,生物通盘点2021年生命科学领域,让我们看看有哪些让人耳目一新的成果。

近年来,CRISPR基因编辑技术一步步走向成熟,从最开始令人惊艳的新技术,到去年一举夺下诺贝尔化学奖的重要时刻,CRISPR基因编辑技术已经不再是单纯的基因敲除或敲入的手段,而是成为了多领域多方向的系列工具包。但它本身依然存在靶向和编辑效率等方面的不足,2021年CRISPR基因编辑技术的重要进展包括:

1. Cell发布突破性可逆CRISPR技术:不改变DNA序列,沉默绝大多数基因的简单新工具

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在4月9日在线发表在Cell上的一篇论文中,研究人员描述了一种称为CRISPRoff的新基因编辑技术,该技术使研究人员可以在不改变DNA序列的情况下,以高特异性控制基因表达。

Jonathan Weissman(美国科学院院士)是CRISPR筛选技术的先驱,他表示:“这里最重要的是,我们现在有了一个可以沉默绝大多数基因的简单工具,我们可以同时对多个基因进行操作,而不会造成任何DNA损伤,并且具有很高的同质性,而且还可以逆转。这是控制基因表达的绝佳工具!”

经典的CRISPR-Cas9系统使用一种在细菌免疫系统中发现的称为Cas9的DNA切割蛋白。该系统可以使用单个导向RNA靶向人细胞中的特定基因,其中Cas9蛋白在DNA链中产生微小的断裂。然后,细胞现有维修工具修补上它。

这些方法会改变基本的DNA序列,而且是永久性的。另外,它们依赖于“内部”细胞修复机制,这意味着很难将结果限制为单个所需的改变。

因此研究人员开始寻找另一种基因编辑器,这种编辑器本身不会改变DNA序列,但会改变它们在细胞中读取的方式。

为了构建可以模仿天然DNA甲基化的表观遗传编辑器,研究人员创建了一个微型蛋白质机器,该机器在小RNA的引导下可以将甲基粘在链的特定位点上。然后将这些甲基化的基因“沉默”或关闭,因此命名为CRISPRoff。

因为该方法不会改变DNA链的序列,所以研究人员可以使用去除甲基的酶来逆转沉默效果,他们将这种方法称为CRISPRon。

2. 张锋Science最新发文:一种全新的mRNA递送技术带来技术变革 

来自麻省理工学院、霍华德休斯医学研究所和哈佛大学Broad研究所的研究人员已经开发出一种将药物传递到细胞上的新方法。这个名为SEND的系统可以通过编程来封装和运送不同的RNA货物。

这个名为SEND的系统利用体内形成病毒样颗粒并结合RNA的天然蛋白质,与其他传递方法相比,它可能会引起较少的免疫反应。相关研究成果公布在Science杂志上。

在Science杂志的报道中,该团队描述了SEND(Selective Endogenous eNcapsidation for cellular Delivery,选择性内源性细胞封装细胞递送,生物通注)如何利用人类细胞制造的分子,在SEND的中心是一种叫做PEG10的蛋白质,它通常与自己的mRNA结合,并在其周围形成一个球形的保护囊。研究团队对PEG10进行了工程改造,使其选择性地包装和传递其他RNA。然后他们使用SEND将CRISPR-Cas9基因编辑系统传送到小鼠和人类细胞中,编辑靶标基因。

文章一作Michael Segel是张锋实验室的博士后研究员,他表示PEG10在转移RNA的能力方面并不是唯一的。“这就是令人兴奋的地方,”Segel说,“这项研究表明,人体内可能还有其他RNA转移系统,也可以用于治疗目的。这也提出了一些非常有趣的问题,即这些蛋白质的自然作用可能是什么。”

3. 时隔两年,基因编辑先锋发表Cell等多篇文章:先导编辑效率提高10倍!

2019年,Broad研究所刘如谦(David R. Liu)教授在Nature杂志发文,开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑(Prime Editor),这种方法融合了工程逆转录酶和Cas9,将新的遗传信息直接写入到靶向DNA位点,从而使用Prime编辑导向RNA进行编辑。

时隔一年,其研究组再次发文,分别在Cell和Nature Biotechnology杂志上发表了关于先导编辑的进一步研究成果:他们利用Prime Editor纠正了与各种神经退行性疾病、新陈代谢和心血管疾病相关的突变。

Broad的研究人员与普林斯顿大学、加州大学旧金山分校的科学家合作,确定了限制编辑效率的细胞途径,并利用这些发现开发了新一代素编辑系统。

两项研究的研究人员都证明,新的系统可以更有效地编辑与阿尔茨海默病、心脏病、镰状细胞和朊病毒疾病、2型糖尿病和其他疾病相关的突变,同时产生更少的不想要的副产品。

“这些改进的初始编辑效率和产品纯度将许多编辑从一个可能用作研究工具的体系,带到一个可能作为治疗手段的体系,”Broad研究所( Institute)梅金医疗改革技术研究所主任Richard Merkin说。

4. 华人基因编辑学者最新发文:“迷你”CRISPR基因组编辑系统

在9月3日发表在Molecular Cell杂志上的一篇论文中,亓磊教授等人宣布了CRISPR向前迈出的重要一步:一个高效、多功能的迷你CRISPR系统。通常使用的CRISPR系统——如Cas9和Cas12a,表示不同版本的CRISPR相关(Cas)蛋白质,它们由大约1000到1500个氨基酸组成,而新系统“CasMINI”只有529个氨基酸。

研究人员在实验中证实,CasMINI可以删除、激活和编辑遗传密码,就像它更强大的同类产品一样。更小的尺寸意味着它更容易进入人体细胞和人体,使其成为治疗各种疾病的潜在工具。

除了蛋白质工程,研究人员还设计了引导Cas蛋白到目标DNA的RNA。对这两个组成部分的修改对于使CasMINI系统在人类细胞中工作至关重要。他们测试了CasMINI在实验室人类细胞中删除和编辑基因的能力,包括与艾滋病毒感染、抗肿瘤免疫反应和贫血相关的基因。它几乎对他们测试的每一个基因都起作用,在几个基因上有强大的反应。

5 . 基因编辑技术现已能100%培育出单性别小鼠

在科学研究和农业中,通常需要雄性或雌性动物。例如,对雄性或雌性生殖的实验室研究只需要研究同一性别的动物。在农业中,只有雌性动物才能生产卵子和饲养奶牛。这意味着非必需性别的动物在出生后被宰杀是一种常见的做法。

研究人员的新方法是利用两部分遗传系统在受精后不久使胚胎失活,只允许想要的性别发育。这种以基因为基础的方法来控制后代的性别,可以大大减少这两个行业的扑杀。

胚胎选择是基于CRISPR-Cas9有两个元素的事实——Cas9酶切割DNA,允许科学家改变特定区域,以及引导RNA,将Cas9携带到基因组的正确位置。该团队将该系统的一个元素放在父亲的X或Y染色体上,这意味着它将分别由女性胚胎和男性胚胎遗传。另一种元素由母亲贡献,由所有胚胎继承。

他们的目标是Top1基因,这对DNA复制和修复至关重要。当一个由精子和卵子组成的胚胎,每个精子和卵子都含有一半的CRISPR-Cas9,基因编辑在胚胎中被触发,它不能发展超过16到32个细胞的非常早期阶段。

使用这种方法,研究人员能够100%有效地控制幼崽的性别。为了产下一窝雄性幼崽,研究人员编辑了父亲的X染色体,这意味着只有雌性继承了有害的突变,而对于一窝雌性幼崽,他们编辑了Y染色体。

6.NEJM里程碑:首个体内CRISPR基因编辑临床试验结果公布 

6月26日,Intellia和Regeneron联合宣布,两家公司开发的体内CRISPR-Cas9基因组编辑疗法NTLA-2001治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变(ATTR)I期临床研究获得积极中期数据。中期结果显示,第28天,0.1 mg/kg剂量组血清TTR蛋白水平较基线平均降低了52%,而0.3 mg/kg剂量组-血清TTR蛋白水平降低了87%。这是首个支持人体体内CRISPR基因组编辑的安全性和有效性临床试验数据。该研究中期数据已在2021年周围神经学会(PNS)年会上公布,并发表在《新英格兰医学杂志》上。

此次公布的中期数据包含目前在英国和新西兰进行的I期试验中两个单次剂量递增队列中6名ATTRv-PN患者,3例患者接受0.1 mg/kg 单剂NTLA-2001治疗,3例接受0.3 mg/kg单剂NTLA-2001。NTLA-2001可使患者血清TTR呈剂量依赖性降低,第28天测定结果显示,0.1 mg/kg剂量组3例患者血清TTR平均降低52%,0.3 mg/kg剂量组3例患者平均降低87%,其中1例患者降低96%。相比之下,ATTRv-PN标准护理患者需接受长期治疗,通常TTR可降低约80%。

在确定了该研究剂量递增部分推荐剂量后,Intellia预计将在今年晚些时候开展I期试验的第2部分——单剂量扩展队列研究。在完成I期试验后,该公司计划开展针对ATTR淀粉样变多发性神经病和心肌病的关键研究。

“首个临床数据表明,只需静脉注射一次CRISPR,我们便可以通过精确编辑体内靶细胞治疗遗传性疾病。 试验的中期结果支持了我们的信念,即单剂NTLA-2001具有终止和逆转ATTR毁灭性并发症的潜力。” Intellia 总裁兼首席执行官John Leonard博士说,“通过NTLA-2001,我们克服了CRISPR/Cas9靶向转运至肝脏的挑战,也开启了用我们的模块化平台治疗一系列其他遗传疾病的大门,我们计划迅速推进和扩充我们的管线。这些数据使我们相信,我们正在真正开启医学的新时代。

(生物通)

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