來自麻省理工學(xué)院,、Broad研究所和洛克菲勒大學(xué)的研究人員開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù),，可通過添加或刪除基因精確改變活細(xì)胞的基因組,。研究人員說這一技術(shù)有可能為我們提供一種使用方便的廉價方法，用于操控生物體生產(chǎn)生物燃料,，設(shè)計動物模型研究人類疾病,，開發(fā)新療法,，以及其他潛在應(yīng)用。
為了創(chuàng)造出這一新基因組編輯技術(shù),，研究人員對一組細(xì)菌蛋白進(jìn)行了修飾,，這些蛋白通常對病毒入侵起抵御作用。該研究小組的負(fù)責(zé)人,、麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)助理教授,、McGovern 腦研究所和Broad研究所核心成員張鋒（Feng Zhang，音譯）說,，利用這一系統(tǒng),，科學(xué)家們可以同時改變數(shù)個基因組位點(diǎn)，可以更好地控制新基因的插入位點(diǎn),。“有任何需要對某一生物體進(jìn)行操控,，插入新基因或修飾生物體的基因組，都將能夠由此獲益,，”張鋒說,。
張鋒及其同事在1月3日《科學(xué)》（Science）雜志上的一篇論文中對這一新技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述。論文的主要作者還包括研究生Le Cong和Ann Ran,。
早期的努力
上世紀(jì)80年代,，科學(xué)家們通過將小片段DNA添加到小鼠胚胎干細(xì)胞中，構(gòu)建出了第一個轉(zhuǎn)基因小鼠,。這種方法目前被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建研究人類疾病的轉(zhuǎn)基因小鼠,，然而，由于該方法是將DNA隨機(jī)插入基因組,，研究人員無法讓新遞送基因靶向替代現(xiàn)有基因,。
近年來，科學(xué)家們一直在尋求更精確的基因組編輯方法,。有一種稱作同源重組的方法,，是通過在目的基因兩側(cè)引入與插入基因組區(qū)域相匹配的序列，將一段DNA片段導(dǎo)入到受體細(xì)胞基因組上,。然而由于自然重組過程在正常細(xì)胞中不常發(fā)生,，因此這一技術(shù)的成功率很低。
最近,，生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，他們可通過添加一種切割DNA的核酸酶來提高這一過程的效率。鋅指核酸酶通常用于將核酸酶遞送到某一特定位點(diǎn),，然而由于鋅指酶無法靶向每一種可能的DNA序列，限制了它們的應(yīng)用,。此外,，組裝這些蛋白也是一個費(fèi)勞力的昂貴的過程,。
稱作轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)的復(fù)合物，也可用于在特異位點(diǎn)切割基因組,，但這些復(fù)合物同樣昂貴，且難于組裝,。
精確靶向
張鋒說新系統(tǒng)更加容易使用,。利用自然生成的細(xì)菌蛋白質(zhì)-RNA系統(tǒng)識別和剪斷病毒DNA，研究人員能夠生成一些DNA編輯復(fù)合物,，復(fù)合物中包含有結(jié)合短RNA序列的Cas9核酸酶,。這些序列設(shè)計靶向基因組中的特異位點(diǎn)；當(dāng)它們遇到匹配序列時,，Cas9就會切割DNA,。
這種方法可用于破壞某一基因的功能，或是用新基因來替代它,。為了實(shí)現(xiàn)基因替代,，研究人員還必須添加一個新基因的DNA模板，以便在DNA切割后將其拷貝到基因組中,。
每個RNA片段都可以靶向不同的序列,。“其妙處在于——你可以輕易地指定一種核酸酶靶向基因組中一個或更多的位點(diǎn)，”張鋒說,。
這種方法也非常的精密,，哪怕RNA靶向序列和基因組序列之間存在有一個堿基對差異，Cas9都不會激活,。這是不同于鋅指酶或TALEN之處,。新系統(tǒng)相比TALEN似乎更有效，且更為廉價,。
新系統(tǒng)是“基因組編輯領(lǐng)域的一個重大進(jìn)展,，在第一階段其似乎已經(jīng)與鋅指核酸酶及TALENs效率相當(dāng)，”威斯康星醫(yī)學(xué)院生理學(xué)副教授Aron Geurts說：“解密日益增加的,、與人類健康及疾病相關(guān)的遺傳變異數(shù)據(jù),，需要在模型系統(tǒng)中利用這類可擴(kuò)展的精確的基因組編輯技術(shù)。”
研究小組已經(jīng)將必需的遺傳元件交給非盈利組織Addgene保管,，確保想利用這一系統(tǒng)的其他研究人員能夠廣泛獲取這些元件,。研究人員還建立了一個網(wǎng)站，提供建議以及使用這一技術(shù)的工具,。
設(shè)計新療法
在其他可能的應(yīng)用中,，這一系統(tǒng)還可能用于設(shè)計新療法，治療由單個遺傳變異引起的疾病,，如亨廷頓氏舞蹈病,。當(dāng)前正在開展的臨床實(shí)驗(yàn)是利用鋅指核酸酶來破壞基因,，新技術(shù)有可能提供一種更有效的替代方法。
這一系統(tǒng)或許還可用于治療HIV,，從患者處獲取淋巴細(xì)胞,，突變其CCR5受體，然后再將細(xì)胞回輸?shù)交颊唧w內(nèi),，這樣的細(xì)胞將能夠抵御感染,。
通過在人類干細(xì)胞中誘導(dǎo)特異突變，這種方法也可以使研究人類疾病變得更為容易,。“利用這一基因編輯系統(tǒng),，你可以非常系統(tǒng)地引入單個突變,，使干細(xì)胞分化為神經(jīng)元或心肌細(xì)胞,，觀察這些突變對細(xì)胞生物學(xué)的改變，”張鋒說,。
在Science新研究中,，研究人員在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的細(xì)胞中測試了這一系統(tǒng)，他們還計劃將這一新技術(shù)應(yīng)用于研究腦功能和疾病,。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1126/science.1231143
PMC:
PMID:
Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems
Le Cong1,2,*, F. Ann Ran1,4,*, David Cox1,3, Shuailiang Lin1,5, Robert Barretto6, Naomi Habib1, Patrick D. Hsu1,4,Xuebing Wu7, Wenyan Jiang8, Luciano A. Marraffini8, Feng Zhang1,†
Functional elucidation of causal genetic variants and elements requires precise genome editing technologies. The type II prokaryotic CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) adaptive immune system has been shown to facilitate RNA-guided site-specific DNA cleavage. We engineered two different type II CRISPR systems and demonstrate that Cas9 nucleases can be directed by short RNAs to induce precise cleavage at endogenous genomic loci in human and mouse cells. Cas9 can also be converted into a nicking enzyme to facilitate homology-directed repair with minimal mutagenic activity. Finally, multiple guide sequences can be encoded into a single CRISPR array to enable simultaneous editing of several sites within the mammalian genome, demonstrating easy programmability and wide applicability of the CRISPR technology.
