人類細(xì)胞中的基因組是RNA（核糖核酸）編程的,，而來自細(xì)菌的Cas9酶可以作為基因組工程的發(fā)動(dòng)機(jī)
來自加州大學(xué)伯克利分?；羧A德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的珍妮弗·端娜(Jennifer Doudna)和馬丁·季聶克(Martin Jinek)，以及瑞典分子感染醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的艾曼紐·夏邦杰(Emmanuelle Charpentier)于去年共同發(fā)表了研究成果,。在《自然-生物技術(shù)》雜志的2012年回顧中,，該文章被稱為一篇“力作”。
這一評(píng)價(jià)是基于研究團(tuán)隊(duì)在2012年6月28日發(fā)表于《科學(xué)》雜志上的論文作出的,。在論文中,，研究者描述了一種精確定位并切割細(xì)菌DNA的方法。近期發(fā)表在《科學(xué)快訊》(Science Express,，屬《科學(xué)》雜志的網(wǎng)上預(yù)先出版和報(bào)道服務(wù))上的兩篇新文章指出,，這一技術(shù)也能夠應(yīng)用在人體細(xì)胞中。珍妮弗·端娜及其團(tuán)隊(duì)關(guān)于人體細(xì)胞中實(shí)驗(yàn)成功的研究報(bào)告,，也將于近日在開放獲取期刊《eLife》上發(fā)表,。
“修飾生物體基因組特定部分的能力，對我們進(jìn)一步深入理解生物學(xué)十分必要,，”珍妮弗·端娜說,，“然而，在動(dòng)物和人體中進(jìn)行這種修飾的技術(shù)都遇到了瓶頸,，無論是實(shí)驗(yàn)研究還是臨床治療的發(fā)展,。新技術(shù)將突破這種瓶頸，因?yàn)樗馕吨魏稳硕寄芡ㄟ^這種基因組的編輯和重組,，將基因變化導(dǎo)入哺乳動(dòng)物的細(xì)胞,，甚至很有可能導(dǎo)入其他真核生物的細(xì)胞中,。”珍妮弗·端娜目前是加州大學(xué)伯克利分校的分子和細(xì)胞生物學(xué)兼化學(xué)教授,，同時(shí)也是哈佛·休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員,。
“這無疑將是一個(gè)重大突破，”哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)教授喬治·丘奇(George Church)在發(fā)表于《科學(xué)快訊》的文章中寫道,，“將會(huì)有許多人開始應(yīng)用和練習(xí)這一技術(shù),，因?yàn)樗尤菀讓?shí)施，而且比其他技術(shù)精簡百倍,?！?
“從我們收到的反饋來看，這項(xiàng)技術(shù)很可能在動(dòng)物和植物基因組工程研究中帶來革命性的改變,，”在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室同樣擁有職位的珍妮弗·端娜說,，“它很容易進(jìn)行編碼，而且在未來很可能像聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)一樣成功,?！盤CR技術(shù)是生物學(xué)研究和遺傳醫(yī)學(xué)中的革命性突破，能夠輕松地將特定的DNA片段擴(kuò)增數(shù)百萬倍,，極大推動(dòng)了生命科學(xué)的發(fā)展,。
“巡航導(dǎo)彈”
不久之前的兩項(xiàng)進(jìn)展，鋅指核酸酶(zinc-finger nucleases,，ZFNs)和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶(Transcription Activator-Like Effector Nucleases,，TALEN)都獲得了眾多關(guān)注，并一起被《科學(xué)》雜志評(píng)為2012年的十大科學(xué)突破之一,?！犊茖W(xué)》雜志中將這兩種酶稱為“巡航導(dǎo)彈”，因?yàn)樗鼈兪箍茖W(xué)家能定位基因組中的特定部位,，并能準(zhǔn)確修剪DNA片段,。
通過這些技術(shù)，研究者可以精確地切割并去除DNA片段,，將替換的DNA片段導(dǎo)入細(xì)胞,，插入到相應(yīng)的位置。由此,，醫(yī)生可以將存在缺陷或者變異的基因替換為正常的基因拷貝,。一家名為Sangamo Biosciences的臨床生物制藥公司已經(jīng)開始嘗試。在該公司的研究中,，感染艾滋病毒的患者在接受了特定基因的替換之后,，顯示出了抗艾滋病的效果。
鋅指核酸酶和TALEN技術(shù)都需要合成一種新的基因,，用于編碼與所修改DNA新位點(diǎn)對應(yīng)的蛋白質(zhì),。相比之下,，新技術(shù)中所用的蛋白質(zhì)只需要一個(gè)小的RNA分子就能編碼。在《科學(xué)快訊》雜志的文章中,，喬治·丘奇將新技術(shù)所用的Cas9酶與TALEN做了比較,，在向哺乳動(dòng)物細(xì)胞插入基因的過程中，前者比后者的效率要高5倍,。
Cas9酶-RNA的復(fù)合物比TALEN更容易合成,，而且更為小巧，這使它很容易被導(dǎo)入細(xì)胞中,，甚至可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)百個(gè)基因的剪切,。與其他技術(shù)相比，該復(fù)合物的毒性也更低,?！艾F(xiàn)在談?wù)撨@種技術(shù)(對TALENs和鋅指核酸酶)的勝利還為時(shí)過早，”喬治·丘奇說,，“但它看起來很有前景,?！?
基于細(xì)菌的免疫系統(tǒng)
珍妮弗·端娜是在研究細(xì)菌免疫系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)Cas9酶的,。在這種酶的幫助下，細(xì)菌能夠利用剪切DNA片段的方法對抗病毒,。病毒的DNA片段被細(xì)菌剪切,，并接入自身的DNA中，之后細(xì)菌合成相應(yīng)的RNA片段,，用于結(jié)合病毒并抑制其活性,。
數(shù)年前，加州大學(xué)伯克利分校的地球和行星科學(xué)教授吉爾·班菲爾德(Jill Banfield)將這種病毒防御機(jī)制介紹給了珍妮弗·端娜,。受其啟發(fā),，端娜開始專注研究細(xì)胞利用RNA的機(jī)制。通常情況下,，細(xì)胞以DNA為模板合成RNA,，之后再由RNA合成蛋白質(zhì)。
珍妮弗·端娜及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了酶-RNA復(fù)合物切割DNA的細(xì)節(jié)：Cas9酶與兩個(gè)短鏈RNA結(jié)合形成復(fù)合物,，之后通過RNA序列與DNA中的特定區(qū)域結(jié)合,。科學(xué)家后來簡化了該系統(tǒng),，只用一個(gè)RNA片段就能定位并剪切細(xì)菌DNA的特定區(qū)域,。“與數(shù)十年來其他基因工程中所用的技術(shù)相比,，新技術(shù)的美妙之處在于它只需要一種酶,，”端娜說,，“這種酶不需要在你想定位的每個(gè)位點(diǎn)上都進(jìn)行改變，你只需要用不同的轉(zhuǎn)錄RNA對它重新編碼,，而這一點(diǎn)很容易設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn),。”
近期的研究顯示,，這種細(xì)菌防御系統(tǒng)在人體細(xì)胞中也同樣能成功運(yùn)作,。“從模糊的細(xì)菌免疫系統(tǒng)到一項(xiàng)極具潛力的技術(shù),，這將改變我們研究和操縱哺乳動(dòng)物細(xì)胞,，以及其他類型動(dòng)植物細(xì)胞的方式，”珍妮弗·端娜說,，“這代表了基礎(chǔ)科學(xué)在影響人類健康的重大發(fā)現(xiàn)中所扮演的重要角色,。”(任天)
