來自：生物探索

自發(fā)現(xiàn)以來，基于CRISPR的基因編輯系統(tǒng)已經(jīng)從根本上改變了研究者們操縱基因組的能力,。近日,，Cell雜志推出CRISPR特輯——Gene Editing in Stem Cells,，用2個(gè)SnapShots,、2篇綜述以及7篇論文，回顧了近階段基因編輯技術(shù)與干細(xì)胞之間“擦出的火花”,。

Cell Stem Cell高級科學(xué)編輯Sheila Chari在前沿中寫道：當(dāng)與干細(xì)胞結(jié)合時(shí),，這些基因編輯工具有能力重塑我們對人類遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的理解,?；贑RISPR的平臺已經(jīng)被成功用于干細(xì)胞中，用以解決人類生物學(xué)的基本問題,，并為疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)提供了實(shí)驗(yàn)工具,。此外，首個(gè)基于CRISPR的干細(xì)胞療法已經(jīng)進(jìn)入臨床測試,。這一特輯集合了這一快速發(fā)展的領(lǐng)域的一些最新進(jìn)展。具體如下：

兩篇綜述

1# Induced Pluripotent Stem Cells Meet Genome Editing

當(dāng)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞遇上基因組編輯

這篇由加州大學(xué)伯克利分校和MIT的兩位科學(xué)家在Cell Stem Cell雜志上發(fā)表的綜述文章回顧了人類誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞（iPSCs）和CRISPR/Cas9技術(shù)的發(fā)展如何從根本上改變了研究者們對生物醫(yī)學(xué),、干細(xì)胞生物學(xué)和人類遺傳學(xué)的研究,。此外，綜述還討論了iPSC和基因編輯技術(shù)存在的一些挑戰(zhàn),，以及兩種技術(shù)聯(lián)合帶來的道德辯論,。

2# Applications of CRISPR Genome Engineering in Cell Biology

CRISPR基因組工程在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用

這篇于2016年9月發(fā)表在Trends in Cell Biology上的綜述總結(jié)了CRISPR在細(xì)胞生物學(xué)研究中的多種應(yīng)用,，包括功能基因組學(xué)研究、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型的構(gòu)建以及用于活細(xì)胞和組織中的基因組成像和譜系追蹤,。作者們認(rèn)為,，新型基因組工程方法的發(fā)展為理解基因組與表型之間的因果關(guān)系提供了一條新的途徑，因此,，有望使科學(xué)家們對細(xì)胞生物學(xué)有更全面的了解,。

Applications of Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)/CRISPR-Associated Protein 9 (Cas9) to Cell Biology Research.

Examples of Applying Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)/CRISPR-Associated Protein 9 (Cas9)Technology to Study Cellular Organelles.

七篇論文

1# A Single CRISPR-Cas9 Deletion Strategy that Targets the Majority of DMD Patients Restores Dystrophin Function in hiPSC-Derived Muscle Cells

治療杜氏肌營養(yǎng)不良癥

這篇于2016年2月在線發(fā)表于Cell Stem Cell的論文調(diào)查了用CRISPR技術(shù)來糾正導(dǎo)致杜氏肌營養(yǎng)不良癥（Duchenne Muscular Dystrophy，DMD）的基因突變（這種突變阻止了dystrophin的翻譯）,。研究人員將CRISPR/Cas9平臺應(yīng)用到DMD衍生的hiPSCs（DMD-derived hiPSCs）上,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由CRISPR改造后的hiPSC克隆系（clonal lines）衍生出來的心肌細(xì)胞和骨骼肌肌小管（myotubes）修復(fù)了dystrophin蛋白的生產(chǎn)能力,。該研究的共同通訊作者April Pyle說：“這項(xiàng)工作證明了一種可行性,，即，利用簡單的基因編輯平臺聯(lián)合干細(xì)胞的再生能力,，可糾正60%DMD患者的基因突變,，并修復(fù)他們dystrophin的生產(chǎn)?！?/span>

2# CRISPR Interference Efficiently Induces Specific and Reversible Gene Silencing in Human iPSCs

用CRISPRi有效誘導(dǎo)人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中的基因沉默

這篇論文中,，科學(xué)家們開發(fā)了一種用于抑制人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）中基因表達(dá)的CRISPRi（regularly interspaced short palindromic repeat interference）技術(shù)。具體來說,，CRISPRi能夠特異性地,、可逆地抑制iPSCs以及iPSC衍生的心臟祖細(xì)胞、心肌細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞中的基因表達(dá),。此外,，這一基因抑制系統(tǒng)有可能使單個(gè)等位基因保持沉默。作者們認(rèn)為,，CRISPRi系統(tǒng)為在各種各樣類型的iPSC衍生細(xì)胞中進(jìn)行基因組規(guī)模的篩選,，以及分析發(fā)育途徑和疾病提供了強(qiáng)大的平臺。

3# Targeted Epigenetic Remodeling of Endogenous Loci by CRISPR/Cas9-Based Transcriptional Activators Directly Converts Fibroblasts to Neuronal Cells

利用基因編輯技術(shù)直接“重編程”細(xì)胞的身份

這篇論文描述了杜克大學(xué)的科學(xué)家們利用CRISPR/Cas9技術(shù)將從小鼠結(jié)締組織中分離出的細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化成了神經(jīng)元細(xì)胞,。

2006年,，日本京都大學(xué)的Shinya Yamanaka教授發(fā)現(xiàn)了如何讓來自成人結(jié)締組織的成纖維細(xì)胞返回到未成熟的、能夠分化為任何一種細(xì)胞類型的干細(xì)胞狀態(tài),，即誘導(dǎo)多能干細(xì)胞,。僅僅六年后，Yamanaka教授就因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng),。從那以后,，研究人員也發(fā)現(xiàn)了變換細(xì)胞類型的一些其它方法。這些方法主要是通過引入許多“主開關(guān)基因”的額外拷貝。這些“主開關(guān)基因”表達(dá)的蛋白質(zhì)能夠啟動(dòng)與形成特定細(xì)胞類型密切相關(guān)的整個(gè)基因網(wǎng)絡(luò),。

而在這項(xiàng)研究中,，科學(xué)家們提出的轉(zhuǎn)換細(xì)胞類型的策略不再需要引入額外的基因拷貝。他們是利用CRISPR的修改版直接啟動(dòng)已經(jīng)存在于基因組中的天然拷貝,。早期研究結(jié)果表明,，這種方法產(chǎn)生的神經(jīng)元細(xì)胞“身份”轉(zhuǎn)變地更加完整和持久，可能能夠用于神經(jīng)疾病的建模,，以及開發(fā)新療法,。

4# Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells

干細(xì)胞里程碑！科學(xué)家首次培育出人豬嵌合體胚胎

A 4-week-old pig embryo injected with human pluripotent stem cells

2017年1月26日,，發(fā)表在Cell雜志上的這項(xiàng)研究中,，來自Salk研究所的科學(xué)家小組借助CRISPR技術(shù)首次成功培育出了人-豬嵌合體胚胎。該研究的通訊作者 Juan Carlos Izpisua Belmonte表示,，這是干細(xì)胞研究領(lǐng)域的一個(gè)里程碑,。

具體來說，研究人員將人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞與豬的胚胎相結(jié)合,，然后將這些嵌合體胚胎植入******母豬體內(nèi)后,，讓這些胚胎發(fā)育僅3周或4周，以檢查是否人類細(xì)胞發(fā)揮了作用,。他們共將超過2000個(gè)人豬嵌合體胚胎植入到41只******母豬體內(nèi),，一個(gè)月后，有186個(gè)胚胎存活,。

值得一提的是,，實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們使用了3種不同狀態(tài)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞,。結(jié)果顯示,，中間態(tài)多能干細(xì)胞（intermediate hPSC）最適合形成嵌合體。該研究的第一作者Jun Wu稱,，不同狀態(tài)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在豬胚胎中形成“不等程度的嵌合”,，但其總體比例較低?！拔也聹y每10萬個(gè)豬細(xì)胞中可能只有不到1個(gè)人類細(xì)胞,。”他說,?！?/span>詳細(xì)】

5# A G-Rich Motif in the lncRNA Braveheart Interacts with a Zinc-Finger Transcription Factor to Specify the Cardiovascular Lineage

解析lncRNA結(jié)構(gòu)和功能

多年前，生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種被稱為長非編碼RNA（long noncoding RNA,，lncRNA）的新型遺傳物質(zhì),。這類RNA不編碼蛋白質(zhì)，是從基因組中曾經(jīng)被認(rèn)為是“垃圾DNA”的片段中復(fù)制過來的,。之后,，科學(xué)家們找到了lncRNA在許多細(xì)胞過程中起作用的證據(jù)，包括在胚胎發(fā)育過程中影響細(xì)胞的命運(yùn),。但究竟lncRNA是如何發(fā)揮作用的還不得而知,。在這項(xiàng)新研究中，利用CRISPR/Cas9編輯小鼠胚胎干細(xì)胞,，MIT的生物學(xué)家們破譯了一種類型的lncRNA的結(jié)構(gòu),，并利用這些信息弄清了這類lncRNA如何與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)相互作用，從而控制心肌細(xì)胞的發(fā)展,。相關(guān)成果于去年9月發(fā)表在Molecular Cell雜志上,。

6# An Isogenic Human ESC Platform for Functional Evaluation of Genome-wide-Association-StudyIdentified Diabetes Genes and Drug Discovery

中美科學(xué)家合作完成糖尿病研究重要成果

2016年8月，發(fā)表在Cell Stem Cell上這項(xiàng)研究中,，美國康奈爾大學(xué),、中南大學(xué)湘雅醫(yī)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們利用人胚胎干細(xì)胞（hESCs）平臺和高通量藥物/小分子化合物平臺，結(jié)合新型基因打靶技術(shù)CRISPR,、新一代RNA測序技術(shù)以及hESCs定向胰島beta細(xì)胞分化技術(shù),，在全球首次完成了2型糖尿病易感基因CDKAL1、KCNJ11和KCNQ1在hESCs向胰島beta細(xì)胞分化過程中的相關(guān)功能驗(yàn)證,，并闡述了這些基因在2型糖尿病發(fā)病中的部分機(jī)制,，同時(shí)篩選出一種化學(xué)藥物T5224（AP-1抑制劑）可以特異性修復(fù)CDKAL1基因缺失所導(dǎo)致的胰島beta細(xì)胞功能損傷。

7# Stage-Specific Human Induced Pluripotent Stem Cells Map the Progression of Myeloid Transformation to Transplantable Leukemia

“精準(zhǔn)復(fù)制”白血病進(jìn)展

2017年2月,，發(fā)表在Cell Stem Cell雜志上的這一研究中,，來自西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的研究人員創(chuàng)建了一種能夠展示從正常血細(xì)胞到白血病一步步進(jìn)展的新模型。研究中,，科學(xué)家們利用CRISPR技術(shù)將來自骨髓增生異常綜合征和急性髓系白血病患者的血細(xì)胞轉(zhuǎn)變成了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞,。這類干細(xì)胞能夠模擬疾病進(jìn)展的所有階段，從健康狀態(tài)到“pre-malignancy”,，最后到充分進(jìn)展的白血病,。這一研究標(biāo)志著科學(xué)家們首次能夠?qū)籽娜祟悺耙浦病钡皆嚬苤校俚叫∈笾虚_展研究,。

兩個(gè)SnapShots：詳解“魔剪”CRISPR家族

最后介紹一下這個(gè)特輯中包含的兩個(gè)SnapShots,。這兩個(gè)由CRISPR先驅(qū)張鋒以及NIH的兩位科學(xué)家（Kira S. Makarova和Eugene V. Koonin）發(fā)表的SnapShot分別對1類和2類CRISPR-Cas系統(tǒng)進(jìn)行了描述。

其中,，2類CRISPR-Cas系統(tǒng)被分為3種類型,、9個(gè)亞型。從概念上說,，主要包括三個(gè)方面的應(yīng)用：1）基因編輯,，包括基因敲除、基因敲入以及引發(fā)突變；2）基因調(diào)控以及遞送各種功能的部件（如轉(zhuǎn)錄因子）到DNA中特定的位置,；3）靶向ssRNA,。

1類CRISPR-Cas系統(tǒng)被分為3個(gè)類型（I、III,、IV）,、12個(gè)亞型。在功能方面,，文章稱,，事實(shí)上，1類CRISPR-Cas系統(tǒng)中常見的多個(gè)Cas蛋白到目前為止還沒有明確特定的功能,。

小編曾在《張鋒再發(fā)Cell：兩張圖詳解“魔剪”CRISPR家族》一文中更加詳細(xì)地介紹過這兩個(gè)SnapShot的內(nèi)容,。感興趣的小伙伴請點(diǎn)擊【詳細(xì)】閱讀。

參考資料：

UCLA’s Stem Cell Gene Therapy Could Treat DMD Patients

Directly Reprogramming a Cell's Identity with Gene Editing

Linking RNA structure and function

中南大學(xué)湘雅醫(yī)院與美國康奈爾大學(xué)聯(lián)合公布2型糖尿病最新研究成果

Scientists create novel model that shows progression from normal blood cells to leukemia

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