兩種新技術鑑定鋅指核酸酶切割脫靶位點的頻率

2020-11-24 生物谷

當鋅指核酸酶失效時 兩種新技術鑑定鋅指核酸酶切割脫靶位點的頻率


結合到DNA(橙色)上的鋅指核酸酶(藍色)，圖片來自維基共享資源，Thomas Splettstoesser

【towersimper註：本文為譯文，僅用作研究之用，不得用作商業開發，轉載請標明翻譯者towersimper，原文來自Tia Ghose, The Scientist, "When ZincFingers Miss the Mark", August 7, 2011】

鋅指核酸酶(zincfinger nucleases, ZFNs)被設計為類似於熱跟蹤飛彈，精確地導向以便找到並切割特異性DNA序列。然而，它們偶爾可能會剪錯位點，導致未曾預料到的裂口。2011年8月7日發表在Nature雜誌子刊上的兩篇論文描述了兩種系統性地找到這種脫靶作用(off-target action)的方法，從而能夠有朝一日有助於設計出避免間接傷害的基因治療。

美國斯克利普斯研究所拉由拉市分所(The ScrippsResearch Institute in La Jolla)化學生物學者Carlos Barbas(未參與該項研究)說，「直到現在還沒有一種真正綜合性的方法來定義ZFN的特異性」，「當我們開始利用ZFNs治療病人和修飾基因組時，我們需要知道這些修飾是在哪些序列位點進行的」。

鋅指(zinc fingers, ZFs)，是因為它們的結構像只一個指頭伸出的手而得名，結合到不同的三字母核苷酸序列。通過將幾個鋅指出串聯在一起，再加入一個切割DNA的核酸酶，研究人員們能夠精確地導向將被切割的特異性基因。這種特異性就為開發ZFN基因治療提供可能。確實，一家製藥公司Sangamo Biosciences正在人類安全性試驗中測試一種治療HIV的候選藥物，其中該試驗利用一種ZFN修飾HIV用來侵入細胞的T細胞受體CCR-5。

但是它不是一個完美的系統：有時這種分子可能結合併剪斷一種不同但又幾乎相同的DNA序列，從而潛在性地殺死細胞。

為了系統性地描述這些脫靶切割位點，哈佛大學化學生物學者David Liu和他的同事們利用1000億個DNA片段組成的文庫---一些片段在人類基因組中出現---對兩種ZFN進行測試。大多數情況下，這些核酸酶切割靶位點，但是它們偶爾也切割其他類似序列---包括一種與癌症信號傳導途徑相關聯的基因。

Liu說，「對我們論文的膚淺理解可能導致一個人對ZFNs持悲觀態度，但是實際上我是樂觀的」。他說，除了證實脫靶裂口所佔份額會隨著較低濃度的ZFNs下降外，研究人員們還發現使用與靶序列結合較差的ZFNs似乎產生更少的意料之外的裂口。這就表明有可能設計出使得這些脫靶效應最小化的ZFN治療。研究人員們將他們的研究成果發表在Nature Methods雜誌上。

在第二篇發表在 Nature Biotechnology雜誌上的研究論文中，研究人員們給人白血病細胞施加一種切割CCR-5受體的ZFN。他們首先構建結合到DNA裂口末端的帶有標記的病毒顆粒，然後利用這些病毒顆粒轉染細胞，來鑑定ZFN切割位點，結果他們發現ZFN總體上結合到靶CCR-5 DNA序列。但是，它大約2萬分之一的概率切割序列幾乎相同的另一個受體基因，以及甚至更低概率地切割少數幾個其他的類似序列。但是Sangamo BioSciences公司科技總監Phillip Gregory以及這篇研究論文的共同作者Phillip Gregory說，這些結果都是在研究人員們採用一種極度高濃度的ZFN和極易允許ZFN作用的細胞系的條件下進行的，目的是觀察最糟糕的情形會是什麼樣子。他說，即便是在這些條件下，低概率的脫靶切割事件「證明我們的期望：ZFNs蛋白定會是高度特異性的」，而且暗示在臨床中採用更低藥用劑量將幾乎不可能發生脫靶切割。

Barbas說，這些方法可能有朝一日用於早期藥物開發以便篩選特異性最好的候選藥物。他說，人們不清楚這些新ZFN測試的覆蓋面是否剛剛好。比如，採用帶有標記的病毒顆粒的方法可能會遺失一些脫靶切割，因為病毒標記可能並不結合到每個單裂口。再者，Barbas補充道，不同於試管中的DNA，細胞DNA緊密纏繞成染色質，因而在試管方法中發現的很多結合位點可能在活細胞得到保護並且從不會被ZFNs切割。

他說，儘管這些新的測試方法可能成為早期藥物開發的關鍵性工具，但是一幅完整的ZFN脫靶位點圖僅當花費1000美元獲得一個人的全部基因組序列的情況下才會出現，屆時研究人員們能夠對接受ZFN治療的人們進行測試以便找到每個脫靶裂口。

R. Gabriel, et. al, 「An unbiased genome-wideanalysis of zinc-finger nuclease specificity,」 Nature Biotechnology,doi:10.1038/nbt.1948, 2011.
V. Pattanayak, et. al, 「Revealing off-targetcleavage specificities of zinc-finger nucleases by in vitro selection,」 NatureMethods, doi:10.1038/nmeth.1670, 2011.

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