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【年终盘点】:2016年CRISPR基因编辑领域突破性进展

【年终盘点】:2016年CRISPR基因编辑领域突破性进展

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  近年来,随着生物技术突破性的变革及科学家们不断的努力,新的基因编辑技术不断涌现出来,推基因编辑,继ZFN,TALENs基因编辑技术的推出,又出现了当下最热门最新型的CRISPR/Cas9基因编辑系统。
  CRISPR/Cas系统是目前发现存在于大多数细菌与所有的古菌中的一种后天免疫系统,其以消灭外来的质体或者噬菌体并在自身基因组中留下外来基因片段作为“记忆”。CRISPR/Cas系统全名为常间回文重复序列丛集/常间回文重复序列丛集关联蛋白系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)。
  以CRISPR/Cas9为基础的基因编辑技术在一系列基因治疗的应用领域都展现出极大的应用前景,比如艾滋病、血液病、肿瘤等其它多种遗传性疾病。我们总是感慨时光过得很快,这不,2016年即将接近尾声,迎接我们的将是崭新的2017年,2016年CRISPR基因编辑技术领域又有哪些突破性的研究进展呢?本文中小编就对此进行了盘点,分享给各位!
  【1】Nature:中国首次利用CRISPR–Cas9编辑过的细胞开展人体临床试验
  来自中国成都市四川大学华西医院的一个研究人员团队首次将利用CRISPR–Cas9进行过基因编辑的细胞注射到一名病人体内。《自然》期刊报道这一注射过程是在2016年10月28日发生的,而且迄今为止,这名病人表现得 “还不错”。
  经过基因修饰的细胞之前已被注射到人体内,但是是利用不同的技术实现的。CRISPR-Cas9被认为是一种更加高效的方法。在这项新的努力中,该团队从血液样品中分离出免疫细胞,然后利用CRISPR-Cas9寻找它们中的PD-1蛋白,并且让该蛋白不能发挥功能,而之前的研究已证实这会延缓免疫细胞作出的免疫反应。人们的看法是让这种蛋白失去功能将允许免疫系统更强地抵抗肿瘤生长。这些利用CRISPR-Cas9进行过基因编辑的细胞被放置在一个容器中,在那里,它们在体外培养后能够发生增殖---它们随后经收集后被注射到一名肺癌病人体内,其中这名病人已不能够对任何其他的疗法作出反应。
  【2】科学家首次利用CRISPR/Cas9技术成功纠正小鼠的凝血功能
  CRISPR/Cas9,一把强大的基因魔剪,其在有效纠正引发疾病的突变上表现出了巨大潜力,近日,在圣地亚哥举办的第58届美国血液学会年会和博览会上,来自宾夕法尼亚大学的研究人员通过研究首次开发出了一种双基因疗法,其能够将CRISPR/Cas9介导的基因靶向系统的关键组分运输到小鼠机体中来治疗B型血友病(Hemophilia B),这是一种第九因子缺乏症,该疾病通常是由于凝血蛋白缺失或缺陷引发。
  在诸如血友病等很多单基因疾病中,不同的突变往往会分散在特殊的基因中,而并不是一种单一的占优势的突变,因此研究人员就需要开发出一种载体能够用于携带任何突变的患者;本文研究是一项概念性的验证研究,研究者利用了通用的CRISPR/Cas9基因靶向方法来用于治疗大部分特殊疾病的患者,就比如B型血友病,据美国CDC数据显示,血友病在活产婴中的发生率为5000分之一,儿在美国目前大约有2万名血友病患者。
  【3】JNCI:重磅!科学家利用CRISPR/Cas9技术使癌症突变失活
  由于在许多生物医学和生物技术领域均有着广泛的应用,“基因魔剪”CRISPR/Cas9或将完全打开癌症研究领域的大门;日前一项刊登在国际杂志Journal of the National Cancer Institute上的研究报告中,来自德国德累斯顿工业大学 (Dresden University of Technology)等机构的研究人员通过研究发现,扮演癌症驱动子的突变或许能够被靶向作用并且修复,而且这些相关的突变也可以被快速诊断,并被用来改善个体化疗法。
  作为生物技术研究领域的革命性工具,CRISPR/Cas9在生物医学研究上有着其广泛的用途,其可以实现对细胞基因组中特定位点的DNA进行切割,如今研究人员就发现了一种方法,能够利用该技术诊断并且使得癌症突变失活,从而加速癌症领域的研究。研究者Frank Buchholz说道,通过新一代测序技术我们就能够快速鉴别出癌细胞中的突变,但很多时候我们并不知道到底是哪些突变能够驱动疾病的发生,而且哪些突变是相对良性的。
  【4】Science:重磅!史上首次利用CRISPR-Cas9让人细胞变身为记忆存储系统
  在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院(MIT)的研究人员设计出一种方法在人细胞的DNA中记录复杂的历史事件,从而允许他们通过对这种DNA进行测序从中找回过去事件的“记忆”。相关研究结果于2016年8月18日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Continuous genetic recording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells”。论文通信作者为MIT电学工程与计算机科学副教授和生物工程副教授Timothy Lu。论文第一作者为Samuel Perli博士和研究生Cheryl Cui。
  这种模拟记忆储存系统---首先能够在人细胞中记录事件的持续时间和/或强度---可能也能够允许科学家们研究干细胞在胚胎发育期间如何产生多种组织,细胞如何对环境条件作出反应以及它们如何发生导致疾病产生的基因变化。
  Lu说,“为了能够更加深入地理解生物学,我们对人细胞进行基因改造,使得它们能够基于基因编码的记录器报道它们自己的历史事件。”他补充道,这种技术应当允许深入认识基因调节和细胞内发生的其他事件如何导致疾病产生和发育。
  【5】Cell Stem Cell:利用改造的CRISPR/Cas9技术直接改变细胞身份
  在一项新的研究中,研究人员利用经过基因修饰的CRISPR/Cas9---一种新的革命性的基因编辑技术---将从小鼠结缔组织中分离出的成纤维细胞直接转化为神经元。
  2006年,日本京都大学前沿医学科学研究所山中伸弥教授发现如何让来自成年结缔组织的成纤维细胞返回到未成熟的能够分化为任何一种细胞类型的干细胞。这些所谓的诱导性多能干细胞(ips细胞)因在研究和医学中的巨大潜力仅在6年后就让山中伸弥教授获得诺贝尔奖。
  从那之后,科学家们已发现其他的方法将一种类型的细胞转化为其他类型的细胞。这主要是通过导入多种额外拷贝的“主开关”基因---表达激活特定细胞类型所需的整个基因网路的蛋白---来实现的。
  如今,在这项新的研究中,来自美国杜克大学的研究人员开发出一种不再需要导入额外基因拷贝的策略。相反,他们利用一种经过基因修饰的CRISPR/Cas9基因编程技术直接激活已经存在于细胞基因组中的自然拷贝。相关研究结果于2016年8月11日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Targeted Epigenetic Remodeling of Endogenous Loci by CRISPR/Cas9-Based Transcriptional Activators Directly Converts Fibroblasts to Neuronal Cells”。
  【6】重磅!中国科学家将进行世界首个人类CRISPR基因编辑临床试验
  如今,中国科学家即将利用CRISPR–Cas9基因编辑技术将修饰后的细胞注入人体进行人类临床试验,这将是世界上首个在人类机体中进行的CRISPR试验。
  进行这项研究的是来自四川大学华西医院(West China Hospital)的研究者Lu You(卢铀),他计划下个月在肺癌患者机体中检测利用CRISPR–Cas9修饰后的细胞的性能,这项临床试验已于7月6日获得了医院伦理审查委员会的批准审核。研究者卢铀,毕业于华西医科大学,长期从事肺癌和食管癌等胸部肿瘤放化疗和分子靶向治疗的临床与基础研究,肿瘤综合治疗及抗肿瘤新药临床试验研究。
  来自宾夕法尼亚大学从事免疫疗法的研究人员Carl June表示,这或许是一项让我们很多人都非常激动的研究,同时也是一项将CRISPR–Cas9基因编辑技术推向人类临床试验的巨大进步。目前科学家们利用许多基因编辑技术来进行人类临床试验,其中包括研究者June进行的一项研究,他们当时利用基因编辑技术来帮助患者抵御HIV,June同时也是一项临床试验的科学顾问,这项研究计划利用CRISPR–Cas9修饰的细胞来用于癌症治疗。
  【7】利用CRISPR基因编辑技术治疗癌症?
  根据美国国家卫生研究院(NIH)的说法,美国重组DNA顾问委员会(Recombinant DNA Advisory Committee,RAC)下周将审查宾夕法尼亚大学申请首次利用革命性的基因编辑技术CRISPR治疗人类癌症的临床试验。利用CRISPR技术,科学家们能够准确地切割靶DNA。
  这项临床研究将从癌症患者体内提取出免疫系统的T细胞。接着,研究人员将利用CRISPR对T细胞进行基因修饰,并将基因修饰后的T细胞灌注回病人体内,这样它们将靶向摧毁肿瘤细胞。
  NIH科学政策副主任Carrie Wolinetz在一篇博客帖子中披露了这一审查信息。宾夕法尼亚大学正在开发的这种癌症免疫疗法旨在靶向攻击骨髓瘤、黑色素瘤和肉瘤。
  CRISPR技术是在不到四年前开发出来的,但是已正在冲向临床应用。在此之前,一家位于美国马萨诸塞州剑桥市的生物技术公司Editas医药公司(Editas Medicine)说,它打算在2017年开展一项利用CRISPR治疗一种罕见的眼部疾病的临床试验。
  【8】三篇Nature文章揭示CRISPR/Cas9基因组编辑取得重大进展
  大多数人类遗传病是由于点突变---DNA序列上的单个碱基错误---导致的。然而,当前的基因组编辑方法不能够高效地校正细胞中的这些突变,而且经常导致随机的核苷酸插入或删除(insertions or deletion, indel)。
  如今,在一项新的研究中,来自美国哈佛大学的研究人员对CRISPR/Cas9技术进行改进,构建出一种新的“碱基编辑器(base editor)”,并且避免这些问题的发生。在人细胞系和小鼠细胞系中,这种碱基编辑器永久性地和高效地将碱基胞嘧啶(C)转化为碱基尿嘧啶(U),同时具有较低的编辑错误发生率。相关研究结果于2016年4月20日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage”。
  美国加州大学伯克利分校基因组学创新计划科学主任Jacob Corn(未参与者这项研究)说,“在人体的任何一个地方,都有大量的遗传病存在,这些遗传病本质上是由于碱基换入或换出。”
  【9】Nature子刊:首次利用CRISPR/Cas9在体内成功切除HIV DNA片段
  作为一种RNA病毒,HIV是一种逆转录病毒。当感染人细胞(主要是CD4+ T细胞)时,它会将自身的RNA逆转录为DNA后插入到宿主基因组中以便进行复制和合成新的病毒颗粒。
  在一项新的研究中,来自美国天普大学刘易斯-卡茨医学院的研究人员利用基因编辑技术首次成功地从活的动物基因组中切除HIV-1 DNA中的一段序列。这一突破是开发一种潜在地抵抗HIV感染的治疗策略的关键一步。相关研究结果发表在2016年5月19日那期Gene Therapy期刊上,论文标题为“Excision of HIV-1 DNA by gene editing: a proof-of-concept in vivo study”。 论文通信作者、天普大学刘易斯-卡茨医学院神经病毒学中心主任Kamel Khalili博士解释道,“在这项概念验证的研究中,我们证实我们的基因编辑技术能够高效地应用于两种小型模式动物的很多器官中,而且能够将HIV病毒DNA的较大片段从宿主细胞基因组中切除。”
  当前的治疗HIV感染的方法集中于抗逆转录病毒药物的组合使用。尽管抗逆转录病毒药物疗法能够有效地抑制HIV复制,但是这不能够将HIV-1从被HIV感染的细胞中清除。再者,当抗逆转录病毒疗法停止时,HIV复制卷土重来,从而使得病人面临着患上获得性免疫综合征(AIDS,一种由HIV感染导致的疾病)的风险。这种潜伏性感染之所以产生是因为HIV DNA能够持续存在于CD4+记忆T细胞的基因组中和可能其他的细胞储存库中,在那里,HIV病毒保持潜伏状态,不受当前疗法的影响。
  【10】Science:基因编辑大牛张锋再发力,揭示只靶向RNA的新型CRISPR系统
  在一项新的研究中,来自美国国家卫生研究院(NIH)、哈佛大学-麻省理工学院布罗德研究所(简称布罗德研究所)、麻省理工学院、罗格斯大学新伯朗士威校区和俄罗斯斯科尔科沃理工学院等机构的研究人员描述了一种靶向作用于RNA而不是DNA的新型CRISPR系统。相关研究结果于2016年6月2日在线发表在Science期刊上,论文标题为“C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector”。
  这种新的CRISPR系统有潜力提供一种强大的方法进行细胞操纵。尽管DNA编辑让细胞基因组发生永久性变化,但是这种基于CRISPR的RNA靶向方法可能允许科学家们让细胞基因组发生可根据需要进行上下调节的临时变化,而且比现存的RNA干扰方法具有更大的特异性和功能性。
  【11】Nature:重大发现!史上最简单的CRISPR/Cpf1系统可切割DNA和RNA
  利用CRISPR-Cas9可以非常简单地、多用途地和可靠地修饰多种有机体中的DNA。这是因为自从它的发现以来,全世界的科学家们一直在努力进一步改进或调整CRISPR-Cas9系统以便满足他们各自的特定需要。因此,人们很难想象在不使用CRISPR-Cas9的情形下如何对遗传物质进行基因编辑。
  如今,在一项新的研究中,来自德国马克斯普朗克感染生物学研究所、亥姆霍兹传染病研究中心和瑞典优密欧大学(Ume? University)的研究人员描述了酶Cas9的一种潜在替代者---来自土拉热弗朗西丝菌(Francisella novicida)的CRISPR结合蛋白Cpf1---的特征:Cpf1表现出双重切割活性:不仅切割DNA,而且也切割RNA。与CRISPR-Cas9不同的是,Cpf1能够独自地对crRNA前体(pre-crRNA,编者注:CRISPR DNA片段经转录而形成的CRISPR RNA前体)进行加工,然后利用加工后产生的crRNA特异性地靶向和切割DNA,因而也就不需要来自宿主细胞的核糖核酸酶(RNase)和tracrRNA,这是人们迄今为止发现的一种最简单的CRISPR免疫系统。这一发现可能给科学家们提供一种新的序列特异性基因组编辑方法,更为重要的是,还可能便于一次对多种靶位点进行编辑,即所谓的多重编辑。相关研究结果于2016年4月20日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“The CRISPR-associated DNA-cleaving enzyme Cpf1 also processes precursor CRISPR RNA”。论文通信作者为来自马克斯普朗克感染生物学研究所的Emmanuelle Charpentier。
  【12】Trends in Parasitol:CRISPR-Cas9技术把蚊子给“阉了”
  随着寨卡病毒、基孔肯雅热及登革热爆发的不断上升,卫生官员迫切需要采取措施阻断这些病毒的传播。近来刊登在国际杂志Trends in Parasitology上的一项研究中,来自弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)的研究者就利用了一种特殊方法,即对雄性蚊子进行基因工程修饰,这或许可以有效阻断病毒的传播。
  去年研究者们在雄性蚊子中发现了一种名为Nix的基因,而本文研究中研究者讨论了如何将CRISPR-Cas9基因编辑技术同Nix基因进行相互结合来有效降低野外雄性和雌性蚊子的配对;雄性蚊子是无害的,因为其仅以花蜜为食;而雌蚊子则需要以血液为食从而帮助其产卵,雌蚊子同时也是引发疾病发生的元凶。
  【13】Science & NEJM:利用CRISPR/Cas9有望让猪成为病人的器官供者
  尽管在农业环境中,猪比较懒散,但是在生物医学实验室培养的猪足够干净以至于很多人将欢迎---确实,应当欢迎---使用它们的组织用作拯救生命的移植物。用于移植的心脏瓣膜通常来自猪和奶牛。
  但是想要将整个猪器官移植到需要新的心脏、肝脏、肾脏或肺部---异种器官移植(xenotransplantation)的病人体内---并不是这么简单的事。除了受者免疫系统倾向于排斥异体组织所面临的常规挑战外,利用猪器官填补人器官供应和需求之间的巨大缺口还必需解决猪内源性逆转录病毒(porcine endogenous retrovirus, PERV)带来的问题。
  毕竟,PERV是令人毛骨悚然的。在遭受压力之下,猪细胞泵出PERV,随后它们能够感染猪移植器官旨在拯救的病人。在异种器官移植的全新领域---猪能够为在美国等待器官移植的12万病人中的一些人提供器官---中,科学家们必需找到一种方法解决来自PERV的威胁。
  【14】Science:天呐!CRISPR基因编辑技术或将用于对人类胚胎进行编辑
  最热门的基因编辑技术—CRISPR,或许很快就可以被用来研究人类胚胎了,近日,来自英国的监管委员会将去评估敲除日龄胚胎发育基因所引发的效应,来自科瑞克研究所的研究人员Kathy Niakan讨论了该项目背后的基本原理,同时他们还希望这项调查有一天或将改善人类的不育疗法。
  这项研究中研究人员揭示了受精卵的单个细胞如何转化成为胚泡,胚泡是一种大约5日龄的结构,其可以植入到母体的子宫中;胚泡中包含有多种类型的细胞,而最后注定发育成胎儿的细胞称之为外胚层祖细胞,这些细胞被两种其他类型的细胞包裹着,其可以发育成为胎盘和其他组织,比如卵黄囊结构,而Niakan在研究中使用了来自生育诊所中的人类胚胎,这些胚胎是进行体外受精遗留下来作为研究捐献使用的,在研究之后当这些胚胎达到7日龄就会被销毁。
  【15】Genome Biol:CRISPR技术新突破!优化sgRNA结构可提高基因编辑效率!
  在一项新的研究中,来自美国德州理工大学健康科学中心的研究人员开发出一种提高CRISPR基因编辑效率的方法,其中CRISPR是一种日渐重要的用来编辑DNA的技术。相关研究结果近期发表在Genome Biology期刊上,论文标题为“Optimizing sgRNA structure to improve CRISPR-Cas9 knockout efficiency”。论文通信作者是Haoquan Wu博士。他是德州理工大学健康科学中心的一名生物医学家。
  Wu说,“全世界的科学家们如今正在他们的研究中使用CRISPR,但是这种技术的功能性并不像是它应当那样的那么好。”
  CRISPR是一种突破性的允许科学家们对基因进行修饰的技术。两种关键性的组分让CRISPR的DNA编辑能力成为可能。第一种组分是Cas9,即一种能够切割DNA的酶。第二种组分是单向导RNA(single guide RNA, sgRNA),它精确地引导Cas9在一种DNA序列上进行切割从而让不需要的片段失活。