【原】Broad研究所公布兩大研究成果,，共同提高CRISPR編輯的精準(zhǔn)度 | 黑科技

鎂客網(wǎng) 2020-09-10

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兩項(xiàng)研究成果都為遺傳研究和治愈疾病開辟了新的道路。

美國(guó)東部時(shí)間10月25日,，《Science》和《Nature》兩大權(quán)威雜志上先后公布了兩項(xiàng)關(guān)于CRISPR-Cas9技術(shù)的最新研究成果,，引起了科學(xué)界廣泛的轟動(dòng)。

淵源：CRISPR

在生物進(jìn)化過程中,，CRISPR是細(xì)菌在與病毒斗爭(zhēng)的過程中產(chǎn)生的免疫武器,，換言之，病毒會(huì)將自己的基因整合到細(xì)菌上,，然后利用細(xì)菌的細(xì)胞工具為自己的基因復(fù)制服務(wù),，而細(xì)菌為了將病毒的外來入侵基因清除，就進(jìn)化出了CRISPR系統(tǒng),。利用這個(gè)系統(tǒng),，細(xì)菌可以不動(dòng)聲色地將病毒的基因從自己的染色體上切除,。

受自然界細(xì)菌的CRISPR系統(tǒng)啟發(fā),，科學(xué)家利用蛋白Cas9實(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA序列的切除操作，極大地簡(jiǎn)化了DNA編輯過程,，故而這項(xiàng)名為CRISPR-Cas9的基因組編輯技術(shù)迅速成為生命科學(xué)中最熱門的技術(shù),。

隨后基于CRISPR-Cas9開發(fā)出的CRISPR工具包躍升為生物學(xué)研究新寵，它與ZFN,、TALEN并列稱為三大基因編輯工具,。CRISPR操作簡(jiǎn)單，研究人員能更快,、更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)基因組特定位點(diǎn)的編輯,。

研究成果之一：堿基編輯

在發(fā)表于《Nature》的論文中，哈佛大學(xué)化學(xué)教授,、Broad Institute的研究員David Liu改進(jìn)了原有的CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù),，開創(chuàng)了堿基編輯技術(shù)，此次,，他成功的將單堿基A轉(zhuǎn)換為G,，實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)”修改，將堿基編輯技術(shù)帶入了一個(gè)更高的精準(zhǔn)度上,。

人類的許多疾病追根溯源是由單一堿基的突變引起的,，而CRISPR-Cas9基因組技術(shù)難以有效得糾正這些所謂的“點(diǎn)突變”,，因此David Liu致力于實(shí)現(xiàn)高精度的基因編輯技術(shù)。

通常,，CRISPR編輯使用的是gRNA和稱為核酸酶的酶（最常見的是Cas9）,，然后將它們一起連接到特定的DNA堿基區(qū)域，隨后核酸酶就會(huì)剪切雙螺旋,。當(dāng)細(xì)胞修復(fù)機(jī)制嘗試重新加入切割的DNA末端,，會(huì)偶爾插入或刪除堿基，有時(shí)這會(huì)使重要的堿基區(qū)域排序變成“亂碼”,，甚至?xí)恍⌒膭h掉靶基因,。對(duì)此，美國(guó)馬薩諸塞州劍橋大學(xué)研究所的研究員馮章研究員表示：“核酸基因編輯非常適合滅活基因,，不過編輯的準(zhǔn)確率較低,。”

原先的CRISPR-Cas9技術(shù)是通過基因組的靶位點(diǎn)切割雙鏈DNA來進(jìn)行操作,，與之不同的是,，研究團(tuán)隊(duì)的堿基編輯技術(shù)不會(huì)削減雙鏈DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，他們是利用酶來實(shí)現(xiàn)對(duì)部分構(gòu)成DNA或RNA的四個(gè)堿基的重新排列,，而不改變周圍的堿基,。

研究團(tuán)隊(duì)將gRNA與“死”的Cas9（失去活性的Cas9，又稱dCas9）融合,，并開發(fā)了TadA酶（一種來自大腸桿菌的酶）,，其中，這種酶可以將堿基A轉(zhuǎn)換為I,，隨后在細(xì)胞修復(fù)或DNA復(fù)制本身的過程將I改變?yōu)镚,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)堿基的精準(zhǔn)定位和修改。

研究成果二：RNA編輯

在《Science》的新論文中,，由Broad Institute生物工程師張峰領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)描述了另一種實(shí)現(xiàn)類似于上面轉(zhuǎn)換過程的方法,，不過這一次不是在DNA中實(shí)現(xiàn)，而是通過編輯RNA來實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)中的堿基進(jìn)行定向編輯,。

他的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)RNA編輯所用的是一種天然存在的酶,，這種酶可將A中的原子重新排列成與I相似的原子。在研究過程中,，研究人員通過將這種天然酶與另外一種被稱為Cas13的RNA靶向酶結(jié)合,，而不是使用通常的DNA結(jié)合Cas9來完成編輯。在序列特異性指導(dǎo)RNA分子的幫助下,，他們?cè)?3-35％的時(shí)間內(nèi)成功糾正了致病突變,，且實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生非靶向活動(dòng)的發(fā)生率也很低。

此外,，該小組通過使用蛋白質(zhì)工程使細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行七次演化,，以產(chǎn)生一種可識(shí)別和可操縱DNA的酶,。該酶能夠重新排列腺嘌呤中的原子，將其轉(zhuǎn)化為I（細(xì)胞以G的形式讀?。?，隨后，該系統(tǒng)誘發(fā)細(xì)胞將胞嘧啶插入未修飾的DNA鏈中,。

張峰團(tuán)隊(duì)的這種手段可用于臨時(shí)校正致病突變,，但卻不會(huì)永久改變基因組，因此當(dāng)涉及基因治療時(shí),，這種方法更為安全,；同時(shí)由于無(wú)法永久改變基因組，所以采用這種方法可能要進(jìn)行多次治療,；此外,，通過對(duì)該種疾病的逐步了解，研究人員可以不斷改良優(yōu)化RNA療法,，這也是它的優(yōu)點(diǎn)之一,。

目前，除了由A到G的轉(zhuǎn)化外,，其余幾種對(duì)基礎(chǔ)嘌呤嘧啶進(jìn)行編輯的酶在自然界中均未發(fā)現(xiàn),，但劉峰先生表示“我們會(huì)繼續(xù)努力，直到團(tuán)隊(duì)開發(fā)出所有可能進(jìn)行編輯的酶”,。