2020年11月30日訊/
生物谷BIOON/---基因組編輯技術CRISPR/Cas9被《科學》雜誌列為2013年年度十大科技進展之一，受到人們的高度重視。今年10月，德國馬克斯-普朗克病原學研究所的Emmanuelle Charpentier博士以及美國加州大學伯克利分校的Jennifer A. Doudna博士因在CRISPR-Cas9基因編輯方面做了的貢獻榮獲2020年諾貝爾化學獎。
CRISPR是規律間隔性成簇短回文重複序列的簡稱，Cas是CRISPR相關蛋白的簡稱。CRISPR/Cas最初是在
細菌體內發現的，是
細菌用來識別和摧毀抗噬菌體和其他病原體入侵的防禦系統。
圖片來自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。
2018年11月26日，中國科學家賀建奎聲稱世界上首批經過基因編輯的嬰兒---一對雙胞胎女性嬰兒---在11月出生。他利用一種強大的基因編輯工具CRISPR-Cas9對這對雙胞胎的一個基因進行修改，使得她們出生後就能夠天然地抵抗HIV感染。這也是世界首例免疫愛滋病基因編輯嬰兒。這條消息瞬間在國內外網站上迅速發酵，引發千層浪。有部分科學家支持賀建奎的研究，但是更多的是質疑，甚至是譴責。
即將過去的11月份，有哪些重大的CRISPR/Cas研究或發現呢？小編梳理了一下這個月生物谷報導的CRISPR/Cas研究方面的新聞，供大家閱讀。
1.解讀！科學家開發出一種安全更具靶向性的方法來運輸CRISPR基因療法！近日，一篇發表在國際雜誌ACS applied Materials & Interfaces上題為「Spatial and Temporal Control of CRISPR-Cas9-Mediated Gene Editing Delivered via a Light-Triggered Liposome System」的研究報告中，來自新南威爾斯大學等機構的科學家們通過研究揭示了一種安全且更具靶向性的方法來運輸CRISPR基因療法，研究者指出，這種光激活的脂質體能夠幫助運輸CRISPR基因療法，而且相比當前方法而言，這種方法更加安全且直接。
研究者發現，通常在藥理學中用於包裹藥物或基因的脂質體能被光記過從而在機體特定部位釋放「貨物」；本文研究是研究人員在細胞系和動物模型中得到的結果，後期他們還需要進一步研究來檢測並在人類機體中證實這種方法的可靠性。截至目前為止，CRISPR基因療法已經能夠使用CRISPR分子裝載的病毒在機體中移動來尋找靶向細胞了。儘管該技術被證明具有革命性的意義，但由於其存在潛在的不良免疫反應和毒性效應，使用病毒作為載體似乎並不太理想。
2.Science子刊：重大突破！首次利用CRISPR/Cas9基因組編輯系統在體內破壞癌細胞在一項新的研究中，來自以色列特拉維夫大學等研究機構的研究人員證實CRISPR/Cas9系統在治療轉移性癌症方面非常有效，這是在尋找癌症治癒方法的道路上邁出的重要一步。他們開發出一種基於脂質納米顆粒的新型遞送系統，該遞送系統專門針對癌細胞，並通過基因操縱破壞它們。這種稱為CRISPR-LNP的遞送系統攜帶一種編碼Cas9的信使RNA（mRNA），其中Cas9作為分子剪刀切割細胞中的DNA。相關研究結果發表在2020年11月18日的Science Advances期刊上，論文標題為「CRISPR-Cas9 genome editing using targeted lipid nanoparticles for cancer therapy」。論文通訊作者為特拉維夫大學史姆尼斯生物醫學與癌症研究學院精密納米醫學實驗室研發副總裁Dan Peer教授。
設計和構建CRISPR-LNP，圖片來自Science Advances, 2020, doi:10.1126/sciadv.abc9450。
Peer教授說，「這是世界上第一個證明CRISPR基因組編輯系統可以在活體動物中有效治療癌症的研究。必須強調的是，這不是化療。沒有任何副作用，用這種方法治療的癌細胞將永遠不會再活躍起來。Cas9的分子剪刀剪斷了癌細胞的DNA，從而永久地阻止了它們的複製。」
為了研究利用這種技術治療癌症的可行性，Peer教授和他的團隊選擇了兩種最致命的癌症：膠質母細胞瘤和轉移性卵巢癌。膠質母細胞瘤是最具侵略性的腦癌類型，確診後的預期壽命為15個月，5年生存率僅為3%。這些研究人員證明，用CRISPR-LNP進行一次治療，膠質母細胞瘤小鼠的平均壽命就會延長一倍，總體生存率提高約30%。
3.Human Gene Therapy：肝臟再生促進基因修復根據最近發表的一項研究，使用甲狀腺激素促進肝細胞增殖提高了小鼠肝臟中CRISPR / Cas9介導的基因編輯的效率。相關結果發表在《Human Gene Therapy》雜誌上。研究表明，這種飲食誘導的肝細胞再生可能是增強肝臟基因修復的可行臨床策略。
這項研究是在1型酪氨酸血症小鼠模型中完成的。「在新生小鼠中，獲得了大約10.8％的肝細胞基因校正頻率，」俄勒岡健康與科學大學的作者Qingshuo Zhang說。 「成年小鼠的效率顯著降低，大約為1.6％。」
4.Science：重大進展！利用新開發的CRISPR-LICHT技術篩選出決定人類大腦大小的基因在果蠅和線蟲身上可以常規地進行遺傳篩選。在人類中，存在著豐富的關於遺傳病和疾病相關突變後果的知識，但對人類進行系統性分析是不可能的。如今，在一項新的研究中，來自奧地利維也納生物中心（Vienna BioCenter）、維也納大學和維也納醫科大學的研究人 員開發出一種突破性的技術，這種技術允許在人類組織中並行分析數百個基因。他們將這種新技術命名為CRISPR-LICHT。相關研究結果近期發表在Science期刊上，論文標題為「A human tissue screen identifies a regulator of ER secretion as a brain size determinant」。
論文共同第一作者、IMBA博士生Dominik Lindenhofer解釋說，「這種技術是基於眾所周知的在2020年10月獲得諾貝爾獎的CRISPR-Cas9技術和雙條碼方法的結合。關鍵的技巧是使用嚮導RNA（gRNA），同時也使用一種基因條形碼，即我們添加到用來培養類器官的細胞基因 組中的DNA片段。這讓我們可以看到每個類器官的完整細胞譜系，而第二種條形碼讓我們可以計算每個起始細胞產生的細胞數量。這降低了噪音，因此我們可以確定每種gRNA對類器官生長過程中產生的細胞數量的影響。為了描述我們的方法，我們將之稱為CRISPR-LICHT（ CRIPSR-Lineage Tracing at Cellular resolution in Heterogenous Tissue，利用CRipsR在異質組織中進行細胞解析度下的譜系追蹤）。」
這些研究人員將CRISPR-LICHT應用於小頭畸形（microcephaly），即一種以患者大腦尺寸縮小和嚴重智力障礙為典型特徵的遺傳性疾病。通過這種革命性的新技術，他們篩選出了所有疑似在這種疾病中發揮作用的基因。
5.Cell解讀！科學家們真能利用CRISPR/Cas9技術來糾正人類胚胎中的突變？或許為時尚早！近日，一篇刊登在國際雜誌Cell上題為「Allele-Specific Chromosome Removal after Cas9 Cleavage in Human Embryos」的研究報告中，來自哥倫比亞大學等機構的科學家們通過研究描述了CRISPR基因編輯技術對人類胚胎中基因進行編輯後所出現的意想不到的不良結果。
對人類胚胎中致病基因突變的修正或許有望減少人類遺傳性疾病的負擔，並能改善攜帶致病性突變夫婦的生育療法（以此能代替對胚胎的選擇），這項研究中，研究人員評估了在父源性染色體EYS位點上引入Cas9誘導的雙鏈斷裂（DSB）所產生的修復結果，EYS位點攜帶有一種會誘發失明的移碼突變（frameshift mutation），研究者發現，最常見的修復結局都是微同源性介導的末端連接，而該過程發生在胚胎發育的第一個細胞周期中，其會導致胚胎出現讀碼閱讀框的非鑲嵌型修復，而值得注意的是，大約一半的斷裂並不會被修復，從而就會產生未檢測到的父源性等位基因的出現，且會在優勢分裂後失去一條或兩條染色體臂。相應地，Cas9脫靶的斷裂則會導致染色體丟失及半合子不整合的出現（因為兩個等位基因發生了斷裂），相關研究結果揭示了科學家操控染色體內容物的能力，同時也提出了修正人類胚胎中突變所面臨的重大挑戰。
6.Cell：通過CRISPR篩選鑑定出抵抗新冠病毒感染的基因和藥物靶標在一項新的研究中，為了確定SARS-CoV-2的新的潛在治療靶點，來自美國紐約大學、紐約基因組中心和西奈山伊坎醫學院等研究機構的研究人員進行了全基因組範圍內的功能缺失CRISPR篩選，以便系統地敲除人類基因組中的基因。他們研究了哪些基因修飾使得人肺細胞對SARS-CoV-2感染更具抵抗力。他們的研究結果揭示了人類基因組中的哪些基因和基因調控網絡是SARS-CoV-2感染所需的，抑制這些基因賦予了對這種冠狀病毒感染的抵抗力。他們描述了一系列以前沒有被認為是SARS-CoV-2治療靶點的基因。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Identification of required host factors for SARS-CoV-2 infection in human cells」。
為了更好地理解宿主和病毒遺傳依賴性之間的複雜關係，這些作者使用了一系列分析和實驗方法來驗證他們的結果。這種綜合方法包括基因組編輯、單細胞測序、共聚焦成像以及基因表達和蛋白質組數據集的計算分析。他們發現，這些新的基因靶點在使用小分子（藥物）加以抑制後，可顯著降低病毒載量，其中的有些藥物降低病毒載量高達1000倍。他們的研究結果為可能開發有效治療COVID-19的新型藥物提供了重要見解，並揭示它們的分子靶點。
7.Cell：全基因組CRISPR篩選鑑定出對新冠病毒感染至關重要的宿主因子在一項新的研究中，來自美國耶魯大學和布羅德研究所等研究機構的研究人員對暴露於SARS-CoV-2和MERS-CoV冠狀病毒的數億個細胞進行了篩選，鑑定出幾十個能使這兩種病毒在細胞中複製的基因，也鑑定出一些似乎抑制這些病毒的基因。他們表示，這些基因的促病毒作用和抗病毒作用將有助於指導科學家們開發新的療法來對抗COVID-19。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Genome-wide CRISPR screens reveal host factors critical for SARS-CoV-2 infection」。
圖片來自NIH。
在這項新的研究中，這些研究人員對綠猴細胞進行了全基因組CRISPR篩選，其中與常用的人類細胞系相比，綠猴細胞在暴露於SARS-CoV-2後更容易死亡。這種篩選首次允許他們同時跟蹤病毒和細胞之間的相互作用。這種篩選證實了早先的發現，即編碼細胞表面受體的ACE-2基因能促進SARS-CoV-2感染宿主細胞。
然而，這種篩選還發現了兩種新的促病毒蛋白複合物和第三種似乎有助於阻止感染的蛋白複合物。他們發現，能開啟和關閉基因的SWI/SNF複合物和具有包括調節炎症在內的許多功能的HMGB1與感染後細胞死亡增加有關。
這些研究人員隨後加入了抑制已發現的這兩種基因產物功能的小分子藥物，並發現它們可以增加培養皿中的細胞在感染後的存活率。相比之下，有助於調節細胞核內基因表達的組蛋白H3複合物似乎提供了一種保護作用，這會抑制SARS-CoV-2感染和殺死細胞的能力。（生物谷 Bioon.com）