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2019年7月CRISPR/Cas最新研究进展

快三网上购买来源:本站原创 2019-07-31 21:29

2019年7月31日讯/生物谷BIOON/---基因组编辑技术CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一,受到人们的高度重视。CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称,Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas最初是在细菌体内发现的,是细菌用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 

2018年11月26日,中国科学家贺建奎声称世界上首批经过基因编辑的婴儿---一对双胞胎女性婴儿---在11月出生。他利用一种强大的基因编辑工具CRISPR-Cas9对这对双胞胎的一个基因进行修改,使得她们出生后就能够天然地抵抗HIV感染。这也是世界首例免疫艾滋病基因编辑婴儿。这条消息瞬间在国内外网站上迅速发酵,引发千层浪。有部分科学家支持贺建奎的研究,但是更多的是质疑,甚至是谴责。

即将过去的7月份,有哪些重大的CRISPR/Cas研究或发现呢?小编梳理了一下这个月生物谷报道的CRISPR/Cas研究方面的新闻,供大家阅读。

1.Adv Mater:新型纳米颗粒更高效地将CRISPR基因编辑工具递送到细胞中
doi:10.1002/adma.201902575


在一项新的研究中,来自中国科学院和美国塔夫茨大学的研究人员开发出一种在肝脏中显著改善的递送CRISPR/Cas9基因编辑工具的方法。这种递送方法使用生物可降解的合成脂质纳米颗粒,将这些基因编辑工具递送到细胞中,精确地改变细胞的遗传密码,效率高达90%。根据这些研究人员的说法,这些纳米颗粒是迄今为止报道的最有效的CRISPR/Cas9递送工具之一,并且可能有助于克服技术障碍,使得基因编辑在一系列临床治疗应用中得以实现。相关研究结果近期发表在Advanced Materials期刊上,论文标题为“Fast and Efficient CRISPR/Cas9 Genome Editing In Vivo Enabled by Bioreducible Lipid and Messenger RNA Nanoparticles”。
图片来自Qiaobing Xu, Tufts University。

CRISPR/Cas9基因编辑系统已成为一种发现数百种基因功能的强大研究工具,而且当前正在作为一种治疗各种疾病的治疗性工具加以探索。然而,在临床应用具有可行性之前,仍然存在一些技术障碍。CRISPR/Cas9是一种大分子复合物,含有一种能够切割靶基因组序列双链的核酸酶(Cas9),以及一种对基因组进行扫描来协助这种核酸酶找到待编辑的特定序列的单向导RNA(sgRNA)。鉴于它是一种大的分子复合物,很难将CRISPR/Cas9直接递送到细胞核中,只有在细胞核中,它才能发挥它的作用。其他人已将这些基因编辑分子包装到病毒、聚合物和不同类型的纳米颗粒中以让它们进入细胞核中,但是较低的转移效率限制了它们在临床应用中的使用和效力。

这项研究中描述的脂质纳米颗粒包埋编码Cas9的信使RNA(mRNA)。一旦这些包含sgRNA的纳米颗粒的内含物释放到细胞中,细胞中的蛋白制造工厂接管这种mRNA模板,并利用这种模板表达Cas9蛋白,从而实现这种基因编辑工具的作用。这些纳米颗粒的一种独特特征在于它们是由脂肪链中含有二硫键的合成脂质制成。当这些纳米颗粒进入细胞中时,细胞中的环境破坏了二硫键而将它们拆解开,从而导致它们中的内含物快速高效地释放到细胞中。

2.Nat Biotechnol:开发出靶向能力和编辑效率得到改善的碱基编辑器
doi:10.1038/s41587-019-0193-0


在一项新的研究中,来自美国布罗德研究所、哈佛大学和波士顿儿童医院的研究人员利用一种称为“噬菌体辅助的碱基编辑器连续进化(phage assisted continuous evolution of base editors, BE-PACE)”的系统开发出一种改进碱基编辑器的编辑效率的新方法。相关研究结果于2019年7月22日在线在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“Continuous evolution of base editors with expanded target compatibility and improved activity”。在这篇论文中,他们描述他们的新系统及其作用机制。

这些研究人员开发出一种称为BE-PACE的系统,它可用于改进胞嘧啶碱基编辑器(CBE)。他们利用他们的系统进化出一种称为evoAPOBEC1-BE4max的CBE。他们报道他们的测试表明它对胞嘧啶(在GC序列中)进行编辑的效率是现有系统的26倍,即便它对所有其他的测试序列中的胞嘧啶进行编辑时,也仍然保持较高的编辑效率。他们进一步报道对一种经过进化的称为evoFERNY的脱氨酶的测试结果表明它比APOBEC1小29%。

这些研究人员指出,限制其他CBE的编辑效率的因素之一是APOBEC1对天然序列的偏好性,这导致GC基序发生较差的脱氨作用。为了克服这个问题,他们使用了PACE系统,这是因为它们能够在一天内进行多代选择、突变和复制。他们的目标是构建出具有改善的靶向能力的碱基编辑器。他们报道,他们开发的BE-PACE系统在过夜的宿主细胞培养物中以几乎十倍的噬菌体增殖速率进行了测试,而且它们展示出对携带碱基编辑器的噬菌体(下称碱基编辑器噬菌体)的选择性提高了1000倍。

3.Nat Biotechnol:新研究拓宽碱基编辑器的靶向范围
doi:10.1038/s41587-019-0134-y


碱基编辑要求靶序列满足Cas9结构域的前间隔序列邻近基序(protospacer adjacent motif, PAM)需求,并且靶核苷酸位于碱基编辑器的编辑窗口内。在一项新的研究中,为了增加碱基编辑器的靶向范围,来自美国布罗德研究所、哈佛大学和加州大学伯克利分校的研究人员设计出六种优化的腺嘌呤碱基编辑器(ABEmax变体),它们使用与非NGG PAM(non-NGG protospacer adjacent motif)相容的SpCas9变体。相关研究结果近期发表在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“Circularly permuted and PAM-modified Cas9 variants broaden the targeting scope of base editors”。
图片来自Nature Biotechnology, 2019, doi:10.1038/s41587-019-0134-y。

为了增加非NGG PAM中可修饰的靶碱基的范围,这些研究人员使用环状排列的Cas9变体产生了4种胞嘧啶碱基编辑器和4种腺嘌呤碱基编辑器,编辑窗口从大约4~5个核苷酸扩展到高达大约8~9个核苷酸,并且这会减少副产物的形成。

总之,这组碱基编辑器改善了胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑的靶向范围,这就为碱基编辑技术的更广泛应用提供了一种强有力的工具。

4.Nat Biotechnol:我国科学家开发出一种新型RNA编辑系统,编辑效率最高可达80%
doi:10.1038/s41587-019-0178-z


如今,在一项新的研究中,中国北京大学魏文胜(Wensheng Wei)课题组描述了一种使用内源性ADAR进行RNA编辑的替代方法。他们证实表达招募ADAR的RNA(ADAR-recruiting RNA, arRNA),能够实现对内源性RNA进行高效而又精确的编辑,并且成功地校正致病性突变。相关研究结果于2019年7月15日在线发表在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“Programmable RNA editing by recruiting endogenous ADAR using engineered RNAs”。

魏文胜课题组将这种方法称为LEAPER(leveraging endogenous ADAR for programmable editing of RNA, 利用内源性ADAR对RNA进行可编程编辑)。具体而言,LEAPER利用经过改造的arRNA招募天然的ADAR1或ADAR2酶,从而将特定的腺苷转变为肌苷。

他们发现由质粒或病毒载体或者作为合成寡核苷酸递送的arRNA都可实现较高的编辑效率,最高可达80%。LEAPER是高度特异性的,具有极低的全局性脱靶编辑率,而且在靶区域中对除腺苷之外的碱基进行有限的编辑。

此外,魏文胜课题组发现LEAPER在包括多种人原代细胞在内的很多细胞类型中具有活性,并且能够在源自赫尔勒综合征(Hurler syndrome)患者的原代成纤维细胞中恢复α-L-艾杜糖醛酸酶(α-L-iduronidase)的催化活性,而不会引起先天性免疫反应。

5.Science:基因编辑大牛张锋开发出RESCUE技术,可扩大RNA编辑能力
doi:10.1126/science.aax7063


基于CRISPR的工具彻底改变了我们靶向与疾病相关的基因突变的能力。CRISPR技术包括一系列不断增长的能够操纵基因及其表达的工具,包括利用酶Cas9和Cas12靶向DNA,利用酶Cas13靶向RNA。这一系列工具提供了处理突变的不同策略。鉴于RNA寿命相对较短,靶向RNA中与疾病相关的突变可避免基因组发生永久性变化。此外,使用CRISPR/Cas9介导的编辑难以对诸如神经元之类的某些细胞类型进行编辑,因而需要开发新策略来治疗影响大脑的破坏性疾病。

在一项新的研究中,美国麻省理工学院麦戈文脑科学硏究所研究员、布罗德研究所核心成员张锋(Feng Zhang)及其团队如今开发出一种称为RESCUE(RNA Editing for Specific C to U Exchange, C→U交换特异性的RNA编辑)的策略。相关研究结果于2019年7月11日在线发表在Science期刊上,论文标题为“A cytosine deaminase for programmable single-base RNA editing”。
CRISPR家族酶Cas13在发挥作用。Cas13(粉红色)是RESCUE平台的核心,它使用特定的向导分子(红色)靶向细胞中的RNA(蓝色)。图片来自Stephen Dixon。

RESCUE显著地扩展了CRISPR工具能够靶向的范围,包括蛋白中可修饰的位点,比如磷酸化位点。这些位点充当蛋白活性的开启/关闭开关,而且主要存在于信号分子和癌症相关通路中。

6.Mol Cell:剪刀卡住了——细菌使用CRISPR/Cas9的另一种方式
doi:10.1016/j.molcel.2019.05.029


CRISPR/Cas9作为一种精确的基因编辑工具,近年来在生物技术领域受到广泛的关注。在人类重新利用CRISPR/Cas9之前,它是一种内部免疫系统细菌,通过切割噬菌体的DNA,来抵御噬菌体或感染细菌的病毒。

埃默里大学医学院(Emory University School of Medicine)和马克斯普朗克病原体科学研究所(Max Planck Unit for the Science ofPathogens)的科学家发现,CRISPR/Cas9的"剪刀"成分有时会卡住。Cas9是一种切割DNA的酶,它也可以在不进行任何切割的情况下阻止基因活动。在新凶手弗朗西丝氏菌(Francisella novicida)中,Cas9调控需要关闭的基因,使细菌致病。研究结果近日发表在《Molecular Cell》杂志上。

埃默里大学的微生物学家David Weiss博士和他的同事们几年前在寻找调节诺新凶手弗朗西丝氏菌毒性的基因时,已经发现了Cas9。novicida是引起tularemia的细菌的近亲,它生长在哺乳动物细胞内。为了阐明Cas9对毒性的重要性,他的实验室与德国Emmanuelle Charpentier博士领导的研究人员进行了合作。

研究人员发现,在F. novicida中,Cas9只调控4个基因,所有这些基因都必须关闭,这样细菌才能致病。在其DNA剪子/噬菌体防御作用中,Cas9是由一个互补于目标的RNA引导的。当Cas9作用于阻断基因活性时,Cas9使用不同的RNA引导序列,由于长度较短,不允许剪子剪切。在其他类型的细菌中,Cas9似乎对致病能力也很重要。

7.Nat Med:重大进展!等位基因特异性基因编辑有望治疗遗传性耳聋
doi:10.1038/s41591-019-0500-9


在一项新的研究中,来自美国哈佛医学院和波士顿儿童医院的研究人员利用一种新的基因编辑方法挽救了患有遗传性听力丧失的小鼠的听力,而且在成功地做到这一点的同时没有产生任何明显的脱靶效应。这些被称为贝多芬小鼠(Beethoven mice)的动物因为具有相同的导致人类进行性听力丧失(progressive hearing loss)并且最终在20岁左右耳聋的基因突变而接受了这种方法的治疗。相关研究结果于2019年7月3日在线发表在Nature Medicine期刊上,论文标题为“Allele-specific gene editing prevents deafness in a model of dominant progressive hearing loss”。

这种新的方法涉及经典的CRISPR-Cas9基因编辑系统的一种优化的更加精确的版本,能够更好地识别在贝多芬小鼠中发现的这种引起疾病的基因突变。这种精确的工具允许科学家们选择性地让一个称为Tmc1的听力基因的缺陷拷贝失活,同时让它的健康拷贝发挥功能。值得注意的是,这些研究人员报道,他们的系统成功地在小鼠基因组的30亿个碱基中识别出Tmc1基因缺陷拷贝中单个错误的DNA碱基。

这些研究人员提醒说,即使是像这样的高精度基因编辑疗法在可用于人体之前,还有许多研究工作要做。不过,他们说,这项研究代表了一个里程碑,这是因为它极大地提高了标准基因编辑技术的功效和安全性。

哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所转化医学科学教授David Corey说道,“我们的研究结果证实目前经典的CRISPR/Cas9编辑工具的这种更精确、靶向性更好的版本实现了前所未有的识别水平和准确性。” (生物谷 miaobaku.com)

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