新技术：让采用CRISPR的基因编辑疗法更安全！

导读

最近，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家在采用基因编辑技术治疗危及生命的严重疾病例如癌症、艾滋病和亨廷顿氏舞蹈病方面，迈出了至关重要的一步。他们开发出的新技术能够检查出目前广泛使用的基因编辑工具CRISPR 的编辑错误。

关键字

背景

也许，很多人都在期盼肥胖、秃顶等影响形象的疾病消失，癌症、艾滋病、乙肝等“不治之症”也能得以治愈。这有可能吗？这一切听起来都有点像科幻小说。然而，一项前沿的生物科技有望让这一切变为现实，它就是基因编辑技术。

基因编辑技术，顾名思义，就是指对目标基因进行“编辑”，实现对于特定基因片段的删除、插入或重写等操作。这种技术有望将艾滋病毒从细胞基因组里清除，从根本上治疗艾滋病。同样，它也有望通过对于错误的基因进行修改，治疗癌症、肥胖等由于环境和遗传因素引起的疾病。

较为典型的基因编辑技术有 ZFN （zinc-finger nucleases）和 TALEN （transcription activator-like effector nucleases）为代表的序列特异性核酸酶技术。

（图片来源：维基百科）

另外还有一项更加高效、简易的基因编辑技术，它就是CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），也被称为规律成簇间隔短回文重复。简单来说，它是一种基因编辑器，是细菌用来对抗病毒、保护自己的系统。病毒在入侵时会将自己的基因整合到细菌中，利用细菌细胞为自己的基因复制服务，而细菌则利用CRISPR 系统，可以将病毒基因从自己的染色体上清除。

（图片来源：维基百科）

后来，研究人员发现这种基因编辑技术，不仅可用于细菌细胞，还可用于删除、添加、激活或抑制其他生物体的目标基因。这些目标基因包括人、老鼠、果蝇和农作细胞内的基因。

CRISPR 技术如同一把“分子剪刀”，能够剪短DNA分子。此后，人类就利用这类分子剪刀在试管中“裁剪”DNA，获取有益的DNA，用于工业生产，或者对基因进行改良。

（图片来源：Jenna Luecke and David Steadman/Univ. of Texas at Austin）

目前，科学家们已采用基因编辑工具CRISPR，去编辑几乎所有生物体的基因代码。同时，CRISPR 基因编辑技术也将对于人类健康产生巨大影响。据报道，已有十多个临床试验开始在人类细胞上使用CRISPR，虽然这个方案并不完美。

理论上说，基因编辑的工作方式很像利用文档工具中的自动纠错功能，更正文档中反复出现的错误。但是，用于查找并编辑基因的CRISPR分子-蛋白质，有时会找错基因，这就像自动纠错功能将正确拼写的单词转化成错误拼写的单词。错误地编辑基因将会带来新的问题，例如导致健康细胞癌变。

创新

针对上述问题，最近美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家开发出一项新技术，它能够检查出目前广泛使用的基因编辑工具CRISPR的编辑错误。这项研究发表于《细胞》杂志。

这种新方法可以通过人体全基因组迅速测试CRISPR分子，从而预见出它与目标以外的其他DNA片段相互作用的情况。研究人员称，这种新方法代表迈出了标志性的一步，它将帮助医生将基因疗法应用于个别病患，确保安全性和有效性。德克萨斯大学奥斯汀分校分子生物科学系的助理教授、该项目的首席调研员 Ilya Finkelstein 称：

“你和我的基因编码中有约一百万个位点是不同的，因为这种基因多样性，人类基因编辑总会是一种定制的疗法。”

技术

研究人员通过DIY的方法开发设备和软件，并使用现有实验室技术开发CHAMP（Chip Hybridized Affinity Mapping Platform）“芯片杂交亲和性图谱平台”。这项测试核心是标准的下一代基因组测序芯片，它已广泛应用于科研和医学。

下图显示Finkelstein 等开发的新技术，用于检测CRISPR和目标以外的DNA片段之间的交互作用。它是一种标准的基因组测序玻片（又名“流动池”），由Illumina制造。

（图片来源：Wikimedia user Bainscou）

下图是位于下一代测序流动池表面之上的荧光标记的DNA 图像。图像由棱镜型TIRF显微镜采集，并且用于CHAMP。CHAMP 是一种新型描述框架，用于高通量、定量分析蛋白质DNA，与合成的以及染色体组的DNA之间的交互作用。

（图片来源：Stephen K. Jones Jr./Univ. of Texas at Austin）

另外两个关键的因素分别是：用于在显微镜下放置芯片的3D打印的底座；以及用于分析结果的开源软件。开源有利于其他研究人员在CRISPR的相关实验中，轻易复制这项技术。

价值

德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后研究员、论文的领导作者之一 Stephen Jones 称：

“如果我们要采用CRISPR 提升人类健康，那么我们需要确保最小化附带损害，这项研究展示出了一种途径。”

德克萨斯大学奥斯汀分校分子生物科学系教授、应用研究实验室的副总裁、论文的合著者之一 Andy Ellington称，这项技术也阐明了新技术具有不可预知的副作用。Ellington 说：

“下一代的基因组测序技术的发明是用于读取基因，但是我们现在将这项技术推进了一步，让我们能够描述CRISPR如何和基因相互作用的。富有创造力的人们，例如Ilya，发明了这项技术并将它拓展到新领域。”

这项研究也可以帮助研究人员预测出，特定的CRISPR将和哪些DNA 片段相互作用，甚至是在实际基因组上测试之前，因为他们发现了CRISPR分子选择目标的潜规则。例如，他们发现被测试的CRISPR，也称为“Cascade”，对于DNA序列中第三个字母的兴趣比其他字母要小。Jones 称：

“所以如果查找单词‘shirt’，那么有可能查找到‘short’，这可能没问题。”

这听上去有点违反直觉，但是非常有益处。CRISPR 源于细菌的天然防御系统，防止入侵的病毒迅速扩散。一个好的防御系统可以看到病毒基因编码微小的变化。

更好地了解这些规则，有利于开发出更好的计算机模型，用于预测特定的CRISPR分子有可能与哪些DNA片段相互作用，并且将节省开发个性化基因疗法的时间和金钱。

参考资料

【1】https://news.utexas.edu/2017/06/29/safer-gene-editing-therapy-using-crispr

【2】http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30637-2?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867417306372%3Fshowall%3Dtrue

---

如果您想了解更多的前沿技术文章，直接点击“阅读原文”。需要进行深入咨询和交流的朋友，请联系微信：JohnZh1984