Nature:開發出Cas9-MMEJ可編程基因編輯方法,有望治療143種由DNA微...

2020-12-05 生物谷

2019年4月25日訊/

生物谷

BIOON/---在一項新的研究中，來自美國麻薩諸塞大學醫學院的研究人員開發出一種利用CRISPR-Cas9和一種很少使用的DNA修復途徑編輯和修復一種特定類型的與微重複（microduplication）相關的基因突變。這種可編程基因編輯方法克服了之前在基因校正中所遭遇的低效率。相關研究結果於2019年4月3日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Precise therapeutic gene correction by a simple nuclease-induced double-stranded break」。

圖片來自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 


論文共同通訊作者、麻薩諸塞大學醫學院分子、細胞與癌症生物學教授Scot A. Wolfe博士說，「這就像擊中重置按鈕（reset button）一樣。我們不需要添加任何校正性的

遺傳

物質，而是細胞將DNA重新拼接在一起，並移除微重複。這是基因校正的捷徑，具有潛在的治療吸引力。」

微重複是染色體發生變化而使得 DNA上的小片段被拷貝或複製。在某些基因中，當添加的核苷酸數量不能被3整除時，這些微重複就能夠導致所謂的「移碼突變」。這改變了基因向蛋白的翻譯，從而導致功能喪失。由微重複引起的移碼突變導致多達143種不同的疾病，包括肢帶肌營養不良（limb-girdle muscular dystrophy）、赫曼斯基-普德拉克症候群（Hermansky-Pudlak syndrome）和家族黑蒙性白痴病（Tay-Sachs）。

Wolfe博士是CRISPR-Cas9和其他基於可編程核酸酶的基因編輯方法的專家。大多數這些技術都需要在缺陷基因處產生DNA鏈斷裂並引入校正性的

遺傳

物質。將新序列插入到DNA斷裂中，並通過在細胞中發現的一種稱為同源介導修復（homology-directed repair, HDR）的的先天性DNA修復機制進行修復。儘管在治療上有希望，但是這種校正基因的方法是低效的並且具有其他的技術挑戰。

Wolfe和論文共同通訊作者、麻薩諸塞大學醫學院威爾斯通肌肉營養不良中心主任、神經學教授Charles P Emerson Jr.博士認為可能存在更為直接的方法來校正由微重複引起的疾病。他們推斷如果微同源介導的末端連接（microhomology-mediated end joining, MMEJ）途徑可以被有效利用，而不是利用同源介導修復途徑，它將會移除重複序列並恢復基因的功能序列。

與其他的細胞修復機制相比，MMEJ途徑的效率更低，也更稀有。MMEJ途徑通常會導致DNA斷裂處的兩側發生缺失，而且MMEJ途徑只負責一小部分DNA修復---據一些估計，不到10%的DNA修復。

Emerson博士有一個很有希望的疾病目標，用於評估這種編輯方法的可行性---由TCAP基因中的微重複引起的2G型肢帶肌營養不良（LGMD2G）。Emerson實驗室和Wolfe實驗室構建的釀膿鏈球菌Cas9核酸酶（Strestococcus pyogenes Cas9, SpCas9）靶向TCAP基因的微重複中心附近的DNA斷裂。他們接著利用SpCas9處理了源自LGMD2G患者的多能性

幹細胞

。正如他們預測的那樣，MMEJ修復機制移除了這種微重複的一個拷貝---有效地將DNA重新拼接在一起，拼接效率非常高，因而去除了突變的

遺傳

物質並讓這個基因得到恢復，從而能夠產生正常的TCAP蛋白。

Emerson說，「對TCAP基因微重複進行基因編輯的簡單性和高效性是一個非常激動人心的發現時刻，這就為當前無法治療的LGMD2G開發一種治療方法提供了一個獨特的機會，這已成為我們的近期目標。」

有多少種由微重複引起的疾病可能利用MMEJ核酸酶基因編輯加以治療呢？通過與麻薩諸塞大學醫學院兒科副教授Christian Mueller博士合作，這些研究人員證實與赫曼斯基-普德拉克症候群1型相關的HPS1基因中的微重複能夠在患者細胞中加以校正。麻薩諸塞大學醫學院神經學助理教授Oliver King博士隨後開發出計算方法來搜索人類基因組資料庫，鑑定出143種與微重複相關的疾病可能能夠利用他們的Cas9-MMEJ方法加以治療。

Wolfe說，「從這樣一個平常的開始，我們相信這種基於MMEJ的治療策略的簡單性、可靠性和有效性可能允許為許多當前無法治療的疾病開發出基於核酸酶的基因校正療法。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Sukanya Iyer et al. Precise therapeutic gene correction by a simple nuclease-induced double-stranded break, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1076-8.

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