基因编辑技术及其在中国的研究发展
来源：本文转载自《遗传》杂志，由于篇幅限制，做了部分删减。
作者：陈一欧, 宝颖, 马华峥, 伊宗裔, 周卓, 魏文胜
摘要
基因编辑技术是一种能够对生物体的基因组及其转录产物进行定点修饰或者修改的技术,早期基因编辑技术包括归巢内切酶、锌指核酸内切酶和类转录激活因子效应物。近年来,以CRISPR/Cas9系统为代表的新型技术使基因编辑的研究和应用领域得以迅速拓展。本文对基因编辑技术的原理、技术发展及其应用进行了阐述,对我国在基因编辑机制研究及技术发展、基因编辑动植物模型构建、基因治疗等领域的研究进展进行了回顾,并对基因技术的发展前景及趋势进行了展望。
关键词： 基因编辑 ; 遗传工程 ; CRISPR ; 基因功能 ; 疾病模型 ; 基因治疗
1 基因编辑技术的发展
早期基因编辑技术包括归巢内切酶(homing endonuclease, HEs)、锌指核酸内切酶(zinc finger endonuclease, ZFN)和类转录激活因子效应物(transcription activator-like effector nucleases, TALENs),但脱靶效应或组装复杂性限制了这些技术在基因编辑领域中的应用。近年来,以CRISPR/Cas9系统为代表的新型基因编辑技术飞速发展,并开始在诸多生物学领域中得到广泛应用。
1.1 早期基因编辑技术
1.1.1 归巢内切酶
早期的基因编辑技术依赖于细胞内同源重组途径(homologous recombination, HR)将外源DNA序列插入基因组[1]。通过在外源DNA序列两端加入同源臂,能够实现外源序列的精确整合。然而真核生物中同源重组发生频率极低,约为1/106~1/109 [2];并且相对于靶位点而言,外源序列更容易随机整合到基因组上其他位点,造成脱靶效应,从而限制了该技术的应用[3]。
研究表明,利用归巢内切酶在目的位点附近引入双链断裂(double-strand break, DSB)能够激活损伤修复机制参与断裂修复[4, 5],进而提高基因编辑效率。真核生物中产生DNA双链断裂后的修复途径除HR外,主要为非同源末端连接(non-homologous end joining, NHEJ)。与同源介导的修复(homology-directed repair, HDR)相比,NHEJ发生频率更高,且直接对断裂位点进行修复而不依赖于模板,但容易引起DNA接口处碱基的插入或缺失,造成移码突变,从而导致基因的敲除[2, 6]。
1.1.2 ZFNs和TALENs技术
由于归巢内切酶的DNA识别和切割功能位于同一结构域,使其编辑位点受到序列的限制[7],因此人们把目光转向了锌指核酸内切酶[8,9,10]和类转录激活因子效应物[11, 12]。
ZFN和TALEN均为人工构建的工程核酸酶,DNA结合结构域与FokⅠ核酸内切酶的切割结构域分开,使得人们可以对DNA结合结构域进行设计,改变其对DNA序列的识别特异性,实现对目的位点的精确编辑[13, 14]。ZFN对于DNA序列的特异性识别主要依赖于锌指蛋白(zinc finger protein, ZFP),但ZFN设计成本较高,且序列的上下文依赖效应会降低编辑效率[15, 16]。
TALEN对于DNA序列的特异性识别依赖于TALE蛋白(transcription activator-like effectors, TALEs)中的RVDs (repeat variable diresidues)。由于TALE/ TALEN的模块化和构建的优势,人工编码TALE蛋白比ZFN在基因编辑和转录调控中有着更为广泛的应用[17],如Yang等[18]首次破解了全部400种可能的RVD碱基识别偏好性,Zhang等[19]解码了TALE蛋白对DNA表观修饰5-甲基胞嘧啶和5-羟甲基胞嘧啶的特异性识别。当然,ZFN和TALEN技术均依赖蛋白质对DNA序列的特异性识别,组装的复杂性是限制它们在基因编辑中应用的主要障碍。
1.2 CRISPR/Cas9系统
1.2.1 CRISPR/Cas9系统的发现
CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)系统是目前应用最为广泛的基因编辑工具。1987年,日本大阪大学Nakata研究组首次在大肠杆菌iap基因的3′端侧翼序列中发现了5段长为29nt的重复回文序列,它们由32nt的非重复序列隔开,且这5段重复序列不与任何已知的原核生物序列同源[20]。2000年,西班牙阿利坎特大学Mojica研究组在多种原核生物中均发现了该类重复序列[21]。2002年,荷兰乌得勒支大学Jansen研究组将这种成簇的规律间断短重复序列命名为CRISPR,将位于CRISPR位点侧翼的基因命名为Cas (Cas 1~Cas 4),并发现其具有与解旋酶和内切酶相似的结构[22],但其作用机制仍未知。随后的一些研究猜测其可能参与细菌的免疫机制[23, 24]。2007年,美国丹尼斯克公司Horvath等[25]首次通过病毒侵染实验确定了CRISPR/Cas在细菌中起到抵抗病毒侵染的功能。
随着研究的深入,科学家们发现了多种CRISPR/ Cas系统,根据Cas蛋白的数量可以分为两类(ClassⅠ和Class Ⅱ),跟据Cas的结构和功能可分为6种(TypeⅠ~VI),并可进一步分为多个亚型(Subtype)[26, 27]。相比ClassⅠ,ClassⅡ仅需一个Cas蛋白,因此目前基因编辑中常用的系统均为ClassⅡ,比如Cas9,以及不需要tracrRNA的Cpf1 (Cas12a)[28]和具有RNA切割活性的Cas13[29]。
1.2.2 CRISPR/Cas9系统的作用机制
经过20多年的研究,人们对CRISPR/Cas系统的作用机制有了相对清晰的了解。以CRISPR/Cas9为例,细菌对外来病毒的入侵分为3步：(1) 病毒入侵时,CRISPR/Cas系统将病毒的DNA切成短片段,并插入重复序列之间,作为“记忆”储存[30,31,32,33];(2) 同种病毒再次入侵时,CRISPR阵列及Cas9基因转录,Cas9翻译为蛋白,转录出的tracrRNA与pre-crRNA互补配对,经过内源核糖核酸酶(RNase)加工成熟,最后形成Cas9-crRNA-tracrRNA的三聚体[34];(3) 在crRNA与病毒DNA互补配对之前,Cas9需要与特定的PAM (protospacer adjacent motif)序列结合以区别病毒和自身基因组,Cas识别并结合PAM后将DNA双链解旋,crRNA在PAM上游与目标序列互补配对。在PAM和靶点序列均匹配时,Cas9构象发生改变,其双链内切酶的活性被激活,在PAM上游的特定位置将病毒的双链DNA切断[35,36,37]。
1.2.3 CRISPR/Cas9系统的发展
这种特异性识别并切割DNA产生DSB的特性十分适合基因编辑工具的要求。2012年,美国加州大学伯克利分校Doudna和Charpentier研究组首次在体外证明了CRISPR/Cas9特异性切割靶标DNA的功能,并将crRNA-tracrRNA改造为sgRNA (single guide RNA)[38] (图1)。2013年,美国麻省理工学院Feng Zhang和哈佛大学George Church研究组首次在哺乳动物细胞系中利用CRISPR/Cas9实现了基因编辑[39, 40]。自此,全球各地的实验室开始投入到对这一新型基因编辑工具的研究中。目前CRISPR/Cas9系统已应用于多种领域,如调控体内基因表达[41]、构建动物的疾病模型[42]、研究各种细胞内基因调控网络[43]、基因的高通量筛选[44,45,46,47]等;同时,人们对CRISPR/Cas系统进行了深入探索,细菌中具有种类丰富的Cas,不同的Cas具有各自的特性,包括PAM序列、蛋白大小以及切割活性,扩展了CRISPR/Cas系统的应用范围[29, 48]。除了目前常用的SpCas9 (来自化脓性链球菌Streptococcus pyogenes的Cas9)和SaCas9 (来自金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus 的Cas9),研究者对野生型Cas蛋白进行人工改造,如dCas9 (dead Cas9)[49]和xCas9(一种SpCas9突变体)[50]等,进一步提高了人们对此系统的操作和应用水平。由于其作用机制灵活、易于操作、种类多样的优点,CRISPR/Cas的应用和方法学的研究得以迅速发展。
1.3 CRISPR/Cpf1 (Cas12a)系统
Cpf1与Cas9同属第二类CRISPR系统,但在pre-crRNA的加工上,Cpf1系统没有tracrRNA,而是由其本身的RNase结构域完成整个加工过程[28]。加工成熟的crRNA与Cpf1结合后,能激活其核酸内切酶的活性以切割靶标DNA片段[51]。Cpf1发挥核酸内切酶作用的是Ruv-C样核酸内切酶结构域和特有的Nuc结构域,二者分别切割靶标片段的非互补链和互补链[52]。Cpf1-crRNA可在不依赖于PAM的情况下切割单链DNA,产生特定长度片段和随机小片段[53, 54]。
相比Cas9,Cpf1系统无需tracrRNA且crRNA更短,所以目前其主要应用为多位点基因编辑和大片段的删除。利用Cpf1系统则可以在一个质粒上用一个启动子串联多个pre-crRNA,在Cpf1的作用下加工出单独的成熟crRNA[55],大大缩减了片段合成的长度[56]。此外,由于Cpf1能够识别富含T碱基片段,扩充了CRISPR/Cas系统基因编辑范围,包括单碱基编辑[57]和基因表达调控[58]。然而,5°-TTTN-3°的PAM也限制了Cpf1的应用空间,因此研究者们对Cpf1识别PAM的结构域进行了改造,扩大了PAM识别范围[59, 60]。
2 中国在基因编辑领域的研究进展
近年来,我国科学家在基因编辑领域取得了令人鼓舞的进展,在基因编辑系统发展、机制研究、构建基因编辑动植物模型和基因治疗等方面取得了突出的成绩。
2.1 基因编辑系统机制研究与发展
中国科学院生物物理所王艳丽研究组和哈尔滨工业大学黄志伟研究组对Cpf1-crRNA复合物、SpyCas-sgRNA-AcrllA4复合物、Cas1-Cas2-DNA复合物、Cas13a蛋白、Cas13a-crRNA复合物以及CRISPR系统Cascade复合物等进行了结构解析及机制分析[61,62,63,64,65],为理解基因编辑工作原理及其调控机制提供了重要依据 。
中国科学院健康科学研究所常兴研究组利用靶向性胞嘧啶脱氨酶在体内实现了高效、高通量DNA碱基编辑新方法;上海科技大学陈佳研究组发展了一系列基于CRISPR/Cpf1的新型碱基编辑器(Cpf1- BE)[66, 67]。北京大学魏文胜研究组建立了基于CRISPR系统的高通量筛选方法,并在全基因组范围内实现了对编码基因和非编码基因的功能性筛选[44, 68]。
2.2 动植物模型构建
2013年,中国科学院动物研究所周琪研究组首次利用CRISPR/Cas9系统实现了大鼠多基因快速同时敲除[69],并建立了多种基因编辑动物模型。近期,中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学研 究组利用CRISPR技术成功构建了亨廷顿病疾病猪模型[70]。
在遗传信息与生理特性上,食蟹猴、猕猴等灵长类动物与人类具有更高的相似性,是作为人类疾病研究的理想模型。2016年,中山大学中山医学院项鹏、华南农业大学兽医学院杨世华和中国科学院动物研究所周琪研究组在食蟹猴中应用TALEN技术实现了MCPH1基因(最早被鉴定出来的小头症相关基因)突变,成功获得了人类头小畸形症的疾病模型猴[71]。昆明理工大学季维智等利用基因编辑技术构建了多种灵长类动物疾病模型,如利用TALEN技术构建了瑞特综合征食蟹猴模型[72],该成果入选了“2017年中国生命科学十大进展”。2018年初,Cell Research杂志连续发表两篇分别来自中国科学院神经科学研究所杨辉和季维智等研究组的论文,报道了世界首例表达荧光蛋白基因敲入的食蟹猴[73, 74]。
在植物基因编辑方面,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞、中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康和华南农业大学刘耀光等研究组分别利用CRISPR-Cas9系统在拟南芥、水稻、小麦、玉米等多种植物中成功实现了基因编辑,为植物基因研究及农作物遗传改良提供了平台[75,76,77,78,79]。
2.3 基因治疗
2016年,Nature杂志报道了中国率先开展的世界首个人类CRISPR临床试验。研究者计划将PD-1 (Programmed cell death protein 1,一种重要免疫抑制蛋白)敲除的T细胞注射到化疗、放疗和其他治疗均无效的转移性非小细胞肺癌患者体内,以促进机体针对癌细胞的免疫反应[80]。中山大学黄军就研究组首次在不能存活的人类三核受精卵中应用CRISPR/ Cas9技术对β-地中海贫血症的致病基因进行了基因编辑[67]。由于涉及人类胚胎编辑,这项研究在世界范围内引起了广泛讨论,使科学界和全社会对其应用前景和可能涉及的伦理风险产生了关注。
2.4 交流平台
为推动我国基因编辑技术研发及其在生命科学基础研究、农业畜牧业育种以及基因治疗等医学领域的应用,防范其可能带来的生物安全风险和伦理争议,提升我国在基因编辑相关科学前沿、重大应用及下游产业化等领域的国际竞争力,2016年6月,国家科技部发起召开了 “香山科学会议—基因编辑技术的研究与应用”,针对我国基因编辑研究现状和所面临的机遇和挑战进行了探讨。2017年9月,中国首个基因组编辑学术团体—中国遗传学会基因组编辑分会在北京成立,中国遗传学会名誉理事长李家洋担任大会主席(图2),该学会的成立为从事基因编辑研究的学者提供了良好的学术交流平台。2018年4月,第一届基因编辑技术方向的冷泉港国际会议：“冷泉港亚洲会议—基因组编辑全面讨论”于苏州召开,来自世界各地的科学家就基因编辑的最新研究进展开展了广泛而深入的讨论。
3 基因编辑技术最新研究进展
随着CRISPR/Cas系统的发现,新一代基因编辑技术在全世界范围引起了研究者的广泛关注。研究者们对CRISPR/Cas系统进行了深入研究,包括对CRISPR/Cas9系统进行优化、拓展CRISPR/Cas系统应用范围、开发RNA编辑系统和利用CRISPR/Cas系统进行高通量筛选。
3.1 CRISPR/Cas9系统的优化
对CRISPR/Cas9系统的优化包括探索未知的CRISPR家族蛋白外以及对已知的Cas蛋白进行改造。针对大家较为熟知的Cas9蛋白,改造主要包括以下3个方面。
3.1.1 减少Cas9蛋白体积,使其更易于通过病毒载体系统进行体内表达
目前最常用的SpCas9和SaCas9蛋白分别由1368和1053个氨基酸组成,研究者在2017年发现了已知体积最小的Cas9蛋白,CjCas9,仅有984个氨基酸[81],而对已发现的Cas9蛋白的体积减少尚无有效的方法。
3.1.2 减少Cas9蛋白脱靶效应,提高专一性和保真度
在检测Cas9蛋白脱靶效应的研究中,研究者通过对Cas9蛋白在全基因组造成的DSB进行分析来确定其脱靶位点,如GUIDE-seq[82]和Digenome- Seq[83]分析等。每种分析方法各有利弊,目前对于确定Cas9造成的基因组DSB位点仍具有挑战。
在减少Cas9蛋白脱靶效应方面,研究者通过 对SpCas9蛋白部分位点进行突变降低了其脱靶效 应[84, 85]。如将SpCas9的Asn 497、Arg 661、Gln 695、Gln 926氨基酸突变为Ala,得到SpCas9-HF,研究人员通过GUIDE-seq方法对整个基因组进行脱靶分析,发现与SpCas9相比,SpCas9-HF的脱靶显著减少[85]。另一方面,Cas9蛋白具有多个负责不同功能的结构域,研究人员针对SpCas9的REC3结构域(负责识别sgRNA和靶向序列形成的互补链并控制HNH核酸酶以调节总体催化能力)进行突变也获得了更高特异性的HypaCas9[86]。部分研究表明通过结构导向的设计来优化Cas9也能增强其特异性[84]。
除了针对Cas9蛋白本身进行优化外,有研究表明降低Cas9在体内活化的时间也可以降低其脱靶效应,如直接向细胞内递送sgRNA和Cas9蛋白的核糖核苷酸蛋白(RNP)复合物,或将Cas9蛋白拆分为两部分再利用小分子诱导使之在细胞内重新结合成完整的Cas9蛋白[87,88]。
3.1.3 增加Cas9蛋白的靶向范围,即拓展PAM识别范围
研究者利用筛选或蛋白质进化的手段获得了具有较普遍PAM的SaCas9和SpCas9的变体[50, 89, 90],如Johnny等[50]通过对SpCas9进行突变体筛选得到了可以广泛增加靶向范围的xCas9,其不仅可以识别传统的PAM序列,还可以识别NG,GAA和GAT,大大增加了Cas9的靶向范围。除上述手段外,也有研究者从蛋白质结构的角度优化FnCas9 (Francisella novicida Cas9)从而改变其PAM序列[91]。
3.2 拓展CRISPR/Cas系统的应用范围
除了对目标基因进行切割编辑,CRISPR/Cas系统还被用于其他方面。通过dCas9融合或招募其他酶或者蛋白,即可利用dCas9定位靶向DNA序列的特性将酶或蛋白带到靶向区域,从而进行基因的单碱基编辑、基因表达的激活与抑制、特定位点的表观遗传、特定位点的成像和染色体三维结构等研究[92]。下面以基因的单碱基编辑和基因表达激活与抑制为例进行介绍。
3.2.1 碱基编辑系统
Komor等[93]最近报道将nCas9 (nickase Cas9)与APOBEC1脱氨酶和尿嘧啶糖基酶抑制蛋白(uracyl glycosylase inhibitor, UGI)融合,可在靶位点有效地将胞嘧啶(C)转化为胸腺嘧啶(T),这个过程不会引起双链DNA断裂。另外,通过将RNA腺苷脱氨酶进行蛋白质功能进化使之可以使其识别DNA底物,再将其融合至nCas9可以实现靶位点的腺嘌呤(A)到鸟嘌呤(G)的转化[94]。这些单位点的碱基编辑技术极大的拓展了基因编辑的应用范围,实现了对基因的定点编辑。除了APOBEC1蛋白外,激活诱导腺苷脱氨酶(AID)也可以被融合到dCas9后实现定点的碱基编。值得注意的是,在复合物中没有UGI的情况下,dCas9-AID复合物可作为一种强大的局部诱变剂,成为功能获得性筛选的新工具[66, 95, 96]。
3.2.2 CRISPR介导的基因表达调控
在基因表达调控方面,CRISPR系统也有广泛的应用前景。dCas9与DNA有很强的结合能力,因此会阻止其他DNA蛋白与DNA结合从而对基因的表达造成影响[97]。将转录抑制复合物如KRAB与dCas9融合会抑制该位点附近基因的表达,即形成CRISPRi (CRISPR interference)系统[98]。与之相反,将单纯疱疹病毒16-氨基酸长反式激活结构域(VP16)的4个串联拷贝组成的VP64与dCas9融合会介导基因表达的上调,即形成CRISPRa (CRISPR activation)系统[99]。利用上述两套CRISPR介导基因表达调控的方法,研究者可以对感兴趣的基因进行功能研究,或者在全基因组范围内进行基因功能筛选。
3.3 RNA编辑系统
除了针对DNA进行基因编辑,CRISPR蛋白家族中的Cas13可以利用gRNA (guide RNA)靶向RNA。目前已经发现Cas13a (也被称为C2c2)[100]、Cas13b[101]、Cas13c[102]和Cas13d[103]这4种蛋白都具有该功能。上述蛋白由于具有RNA结合特性,从而被发展成为核糖核酸的检测器[104]。在将Cas13蛋白连接作用于RNA腺嘌呤脱氨酶后,通过对gRNA的优化即可针对RNA上特定位点的腺嘌呤进行脱氨,从而使腺嘌呤转化为次黄嘌呤(Inosine, I),生物体内的翻译系统会将I识别为鸟嘌呤,实现腺嘌呤到鸟嘌呤的转变,但目前该技术仍存在脱靶较严重的问题[29]。虽然这项技术仅限于腺嘌呤到鸟嘌呤的转变,但是将Cas13蛋白融合其他脱氨酶或者表观修饰酶后可以大大拓展该技术在RNA编辑、调控中的应用范围。
3.4 利用CRISPR/Cas9系统进行高通量筛选
遗传分析的重要目的之一即鉴别引起生物特定表型的基因。其对应的基因筛选方法包括反向(假说法)和正向遗传筛选。反向遗传筛选利用已知研究结果来检测特定基因变异的表型。而正向遗传筛选通过“表型到基因型”的研究方法大范围修饰或调节基因的表达,从而筛选出产生特殊表型的细胞或生物体,进而分析其对应的基因突变,是发现和注释功能性遗传元件的有力工具[105]。
通过基因编辑技术在细胞、组织或动物模型水平删除、插入以及改造DNA序列,能够帮助研究者进一步研究基因或调控原件在生物中的功能和机制。目前,CRISPR/Cas9系统已经用于大规模构建基因敲除文库,并可在人类全基因组水平上进行大规模基因或调控原件的筛选及相关研究[44, 45, 106~109]。
在哺乳动物细胞中,CRISPR/Cas9文库筛选是通过一系列步骤进行的,包括gRNA库的构建、慢病毒转导、细胞筛选和数据分析等。针对蛋白质编码基因,最常见的CPISPR筛选为直接利用Cas9对靶基因进行敲除从而对细胞的表型进行筛选。这类筛选主要用于功能丧失型的筛选[44~46, 110]。针对非编码基因,由于单纯的通过Cas9蛋白破坏其结构并不能造成其功能的完全缺失,因此对非编码基因的筛选较蛋白质编码基因的筛选更困难。对于lncRNA (long non-coding RNA)筛选,通过配对gRNA即pgRNA (paired-gRNA)对lncRNA进行大片段的敲除也是lncRNA筛选的手段之一,如Zhu等[68]利用该方法筛选出51个对癌症细胞生长起到促进或者抑制作用的lncRNA。
近期,Han等[107]开发了能够与21 321个药物靶基因组合的包含了490 000对gRNA的配对RNA文库,并在K562细胞中鉴定了几种发挥协同作用的药物组合。Najam等[108]使用两种正交的Cas9酶,即SaCas9和SpCas9,进行正交组合遗传筛选,并通过该方法对基因之间的相互作用进行了大规模分析。
除此之外,CRISPRa和CRISPRi也是非常有效的工具。如Joung等[109]利用CRISPRa对编码基因附近的lncRNA进行筛选;Liu等[106]利用CRISPRi针对7种不同细胞系中的16 401个lncRNA位点进行筛选,发现lncRNA具有很高的细胞特异性。
4 基因编辑技术的应用
基因编辑技术在基因功能研究、药物开发、疾病治疗和作物育种等方面有着重要意义和广阔的应用前景。如前文所述,基因编辑技术可以在全基因组范围进行基因功能研究,除此之外,该技术也被广泛应用于生物治疗以及药物研究等领域。
4.1 疾病模型构建
很多疾病的致病机制十分复杂,比如癌症,通常涉及多种抑癌基因或致癌基因的遗传改变。因此构建适合的疾病模型对探索疾病的发生和进展以及抗癌药物的筛选有着重要的意义。对于已知致病基因的疾病,研究人员可以运用CRISPR/Cas9等基因编辑技术,构建对应的基因突变动物或细胞模型,从而进一步进行药物或其他治疗方式的研究。对于功能未知或者部分未知的基因,研究人员可以通过构建疾病模型从而进一步明确疾病与基因之间的 关系。
研究人员应用基因编辑技术,已经实现了多种疾病的体内和体外疾病模型的构建。目前,科学家们在鼠科动物上实现了多种疾病模型的构建,如利用CRISPR技术靶向Pten和p53 (两种抑癌基因)构造的肝癌模型[111]以及诱导CD74-ROS1,EML4-ALK 和 KIF5B-RET融合导致的肺癌模型等[112]。对于一些由多基因突变导致的人类复杂疾病,CRISPR/Cas9技术可以同时进行多基因编辑,如Zuckermann等[113]通过在小鼠大脑中单基因敲除(Ptch1)和多基因敲除(Trp53, Pten, Nf1),成功构建了成神经管细胞瘤和成胶质细胞瘤疾病模型。此外,研究人员还应用CRISPR/Cas9技术在小鼠中构建了心肌病和心力衰竭模型[114]。Paquet等[115]利用CRISPR/Cas9技术将特定点突变引入人诱导多能干细胞中,实现了基因单拷贝和多拷贝编辑,从而得到携带阿尔茨海默病相关突变的细胞。
4.2 基因诊断与核酸检测
CRISPR系统具有用一条sgRNA靶向DNA或者RNA的特性,利用该特点研究者开发了一系列的工具用于检测样品中是否存在某种特定的核酸,从而实现即时检测病原体、基因分型和疾病监测等功能。以SHERLOCK (specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking)系统为例,Cas13蛋白识别目标RNA后会被激活从而切割其周围RNA,利用这个特性,可对特定病原体的核酸进行检测。目前该系统已成功用于寨卡病毒和登革热病毒不同菌株的检测,具有灵敏度高、便利廉价的优势[116]。除了针对RNA,研究者还利用Cas12a和Csm6等蛋白,开发了升级版的SHERLOCK系统[104],可以检测出肺癌患者血液样本中的游离肿瘤DNA,并能够在单一反应中同时检测寨卡病毒和登革热病毒。
4.3 靶向基因治疗
广义上的基因治疗是指在DNA水平上,通过特定的技术手段用正常的基因来替换或者补偿致病基因突变,从而达到治疗目的。常用的基因治疗方法包括用非病毒载体方法、慢病毒载体或腺病毒载体向体内注射正常基因,或者利用近几年崛起的基因编辑技术纠正致病突变等[117]。
传统的基因治疗手段可将正常基因导入细胞,但致病突变依然存在,不能从根本上治愈疾病。而基因编辑技术可以对基因进行精准编辑,从而修复或修饰内源致病突变[117,118,119]。因此,以CRISPR/Cas9系统为代表的基因编辑技术在临床治疗上具有广阔的应用前景。
目前,国内外已经发表了数篇应用基因编辑技术在模式动物中纠正遗传疾病致病基因的报道[120]。2014年,Yin等[121]首次应用CRISPR/Cas9技术实现了体内致病基因编辑。研究人员将CRISPR/Cas9系统注射到患有人类Ⅰ型酪氨酸血症(一种致死遗传病)的疾病模型小鼠肝脏中,纠正了致病基因Fah的突变,并回复了小鼠体重减轻等疾病表型。Dever等[122]利用CRISPR/Cas9技术修复了人体造血干细胞中导致镰刀型细胞贫血症的基因β-globin,并成功注射到小鼠体内,改造的造血干细胞在小鼠体内16周后仍保持正常分化。同年,Science报道了研究人员通过CRISPR/Cas9技术恢复了患杜氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy, DMD)小鼠的肌肉功能[123,124,125]。2018年初,研究者应用CRISPR/Cas9技术成功修复了小鼠致聋基因TMC1突变[126]。Hawksworth等[127]利用CRISPR/Cas9技术在人类成体红细胞系中实现了5个血型相关基因的同时敲除,增强其输血相容性,为长期输血的患者的同种免疫以及稀有血型输血时难以匹配血型的难题带来了新的解决方法。
4.4 动植物品系培育
应用CRISPR/Cas9等技术在农作物或动物基因中进行基因编辑,与传统杂交等育种方法相比,可以精确、快速培育出新品种[128]。在植物育种方面,研究者利用基因编辑技术可以加速作物培育过程或获得利于其生长的抗性[129]。如在水稻中对OsEPSPS基因(编码与草甘膦具亲和能力的5-烯醇式丙酮酰-莽草酸-3-磷酸合成酶)进行定点替换,可获得抗草甘膦除草剂的表型[130],以及通过基因敲除、改造启动子等方法加速水稻培育过程、获得抗旱和抗其他类型除草剂的农作物品种等[131,132,133,134]。
在动物品系培养方面,研究者同样可以通过基因编辑技术得到具有优良性状的猪、牛、羊等家 畜[135,136,137,138,139,140]。如研究者利用ZFNs[140]和CRISPR/Cas9[141]技术通过MSTN基因敲除获得了高瘦肉率转基因猪。在疾病防治方面,Whitworth等[142]利用CRISPR/ Cas9技术得到的CD163 (清道夫受体,参与机体免疫过程)敲除猪可以对猪繁殖与呼吸综合征（PRRS）病毒耐受。
5 基因编辑技术展望
CRISPR/Cas系统作为近几年来发展起来的新一代基因编辑技术,自问世以来就获得了极大的关注。由于可以精确改变内源致病基因,基因编辑技术有望从根本上治愈某些遗传疾病;通过基因编辑技术得到的新品种中不引入外源基因,可以使作物改良的过程更加迅速和安全。基因编辑技术在临床上的应用已经在世界范围得到重视,如美国国立卫生研究院(NIH)于2018年年初宣布,将启动1.9亿美元用于体细胞基因编辑研究计划。基因编辑技术正逐步改变生命科学和医学研究的面貌。
虽然研究者们利用CRISPR/Cas系统开发了很多强有力的基因编辑工具,但是这些工具仍存着一些在问题。首先是递送方式的问题,由于AAV病毒(adeno-associated virus)递送至细胞的DNA片段容量有限,而Cas蛋白过大,因此有必要寻找一个新的较小的Cas蛋白或者人工改造生成较小的Cas蛋白。其次,Cas9蛋白本身及最新开发的碱基编辑技术仍存在脱靶效应,因此开发精准的基因编辑技术十分重要。最后,由于Cas9蛋白是细菌来源的蛋白,近期有报道称大部分人可能存在对Cas9蛋白的适应性免疫反应。因此,上述技术距离临床应用还有很长的路要走。
同时,基因编辑技术的应用上也存在着一些亟待解决的问题。如在靶向基因治疗中,目前该技术应用于人体的案例还鲜有报道,并且追踪时间有限,安全性评估信息不够全面;在靶向基因治疗技术广泛应用于人类之前,科学家们还需要在更多的动物上进行安全性和有效性测试;基因编辑技术的效率和精准性还需要进一步的提高,确保避免脱靶效应可能带来的副作用;在胚胎中进行基因编辑仍面临着伦理方面的争议,在单细胞阶段进行基因编辑还存在遗传嵌合等问题,因此,相应的政策法规还需要进一步完善。
随着研究者的不断深入探索,基因编辑技术正在逐步发展成熟,具有极大的研究潜力和广阔的应用前景。相信在不久的将来,基因编辑技术会在人类生产和临床疾病治疗中发挥其无可替代的价值。
(责任编委: 高彩霞)
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