人类首次在国际空间站完成基于CRISPR基因编辑的DNA修复丨医麦猛爆料
2021年7月7日/医麦客新闻 eMedClub News/--众所周知，太空辐射会破坏人体内的DNA，进而导致癌症和其他疾病。而生活在地球上的人类由于受到地球磁场和大气层的保护，隔绝了绝大多数来自太空的有害辐射，然而，太空中的宇航员离开了地球的保护，他们会受到更强的辐射，因此面临更强的DNA损伤风险。
双链断裂是一种特别有害的DNA损伤，其中有两条DNA链的磷酸骨架会水解。可以通过两种主要的细胞途径进行修复，一个是同源重组（HR），另一个是非同源末端连接（NHEJ）。在HR过程中，使用同源DNA序列作为模板进行修复，从而使DNA序列保持不变。通过NHEJ，细胞直接重新连接两段DNA，通常会导致原始DNA序列发生变化，这些改变可能会增加患癌症和气态有害疾病的风险。先前的研究报告称，DNA修复机制的选择受到微重力条件的影响。
近日，MiniPCR Bio、麻省理工学院、美国宇航局，以及几位美国中学生，在 PLOS One期刊发表了题为：A CRISPR-based assay for the study of eukaryotic DNA repair onboard the International Space Station 的研究论文。
这项研究是首次在太空中完成的CRISPR基因编辑试验，为研究太空微重力环境下DNA损伤修复奠定了基础，对于人类探索广阔的太空，以及将来的星际旅行，甚至是星际移民具有重要意义。
值得一提的是，我国是航天大国，前段时间神舟十二号与天和核心舱顺利对接，宇航员入驻天宫空间站，更是预示着我国航天领域已经处于世界领先水平。
在国际空间站中，受试验设备等多种条件限制，难以直接观察细胞如何修复更复杂或更广泛的损伤。因此，研究团队想到了CRISPR基因编辑，该技术为真核生物中安全和有针对性地生成双链断裂（DSB）提供了一个模型，评估了基于CRISPR的DNA断裂诱导检测和完全在空间双链断裂修复途径选择。
CRISPR/Cas9系统研究太空中的DNA修复比以前建立的模型有几个优势。首先该系统不使用辐射或其他试剂，因为这些试剂会导致广泛的、非特异性的DNA损伤，并且在太空飞行中使用时不安全的。其次由于DSB是在基因组中的的精确位置生成的，修复后DNA序列的任何变化都可以使用先前在国际空间站（ISS）上验证使用过的方法去轻松识别和跟踪。
宇航员在国际空间站上使用外源遗传物质对酵母细胞进行了试验，通过使用CRISPR基因编辑技术编辑酵母细胞，使其DNA产生精确损伤、培养酵母使其修复DNA、提取基因组并PCR，以及对基因组进行纳米孔测序，这些全部实验过程均在国际空间站的太空飞行环境中进行。
研究人员使用了营养缺陷型酵母，这种酵母由于缺乏尿嘧啶生物合成所必须的URA3基因，因此无法在不含尿嘧啶的人工合成培养基中生存繁殖。后来研究人员酵母用pVG1进行了质粒转化。该质粒表达用于阳性选择转化体的功能性URA3、Cas9靶向腺嘌呤需要2（ADE2）基因的向导RNA。
正常情况下，酵母在培养基上形成的菌落是白色，带有ADE2的酿酒酵母由于液泡中嘌呤前体的积累，发生基因突变后，菌落变成红色。进而可以直接观察到CRISPR基因编辑成功编辑了ADE2基因。PCR试验进一步证明了CRISPR基因编辑的成功。
为了确认在CRISPR/Cas9基因组编辑成功，使用PCR和DNA测序检查了ADE2基因座。使用简单的方案在菌落中提取DNA，ADE2序列的一端进行扩增。扩增后，将样品组合成两个各四个样品池。使用纳米孔测序，进一步推断这些酵母所采取的细胞修复机制。
测序结果表明，所有被成功基因编辑的呈红色的菌落，它们的基因序列与修复模板序列一致，这表明它们是通过同源重组进行修复的，而不是非同源末端连接的修复方式。这为将来量化DNA修复途径奠定了基础。
这项研究成功证明了这种新方法的可行性，这项研究标志着CRISPR/Cas9基因组编辑首次在太空成功进行，这也是首次在太空中向活细胞中导入来自生物体外部的遗传物质，代表了国家空间站上分子生物学工具包的重大扩展。除了建立一个可行的平台来进一步了解微重力中的DNA修复外，这种工具还可以使许多强大的方法适应在太空中使用。
研究团队表示，希望这项技术能够对太空的DNA修复进行广泛的研究，接下来还将继续改进新方法，以便更好地模拟电离辐射引起的复杂DNA损伤。
总而言之，这项研究不仅在太空极端环境成功了进行了编辑CRISPR、miniPCR和纳米测序等新技术，而且还能将这些新技术整合到一起，用来研究太空微重力环境下的DNA修复和其他细胞基本过程。这对于人类探索广阔的太空、以及将来的星际旅行、甚至在星际移民具有重要意义。
参考资料：
1.https://www.fiercebiotech.com/medtech/astronauts-perform-first-crispr-gene-editing-studies-space
2.https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0253403
3.生物世界《人类首次在太空中完成CRISPR基因编辑，通过DNA修复研究，为星际旅行做准备》