2019年6月基因编辑技术CRISPR最新研究进展
来源：生物谷
基因组编辑技术CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一，受到人们的高度重视。CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称，Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas最初是在细菌体内发现的，是细菌用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。
图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)
2018年11月26日，中国科学家贺建奎声称世界上首批经过基因编辑的婴儿---一对双胞胎女性婴儿---在11月出生。他利用一种强大的基因编辑工具CRISPR-Cas9对这对双胞胎的一个基因进行修改，使得她们出生后就能够天然地抵抗HIV感染。这也是世界首例免疫艾滋病基因编辑婴儿。这条消息瞬间在国内外网站上迅速发酵，引发千层浪。有部分科学家支持贺建奎的研究，但是更多的是质疑，甚至是谴责。
即将过去的6月份，有哪些重大的CRISPR/Cas研究或发现呢？
1.Nat Mater：金纳米颗粒有望让基于CRISPR的基因疗法治疗HIV感染和血液疾病
doi:10.1038/s41563-019-0385-5
在一项新的研究中，来自美国弗雷德哈钦森癌症研究中心的研究人员通过简化将基因编辑指令递送给细胞的方式，朝着让基因疗法变得更加实用的方向迈出了一步。通过使用金纳米颗粒替换灭活病毒，他们安全地在HIV和遗传性血液疾病的实验室模型中递送基因编辑工具。相关研究结果近期发表在Nature Materials期刊上，论文标题为“Targeted homology-directed repair in blood stem and progenitor cells with CRISPR nanoformulations”。
图片来自the Adair lab at Fred Hutch。
这是第一次使用装载CRISPR的金纳米颗粒来编辑稀有但功能强大的造血干细胞亚群中的基因，其中造血干细胞是体内所有血细胞的来源。这些携带CRISPR的金纳米颗粒成功地对造血干细胞中的基因进行编辑，而且没有毒副作用。
论文第一作者、弗雷德哈钦森癌症研究中心博士后研究员Reza Shahbazi博士说，“我们设计了金纳米颗粒，它们能够快速地跨过细胞膜，避开试图破坏它们的细胞器，并直接进入细胞核中进行基因编辑。”7年来，他一直在研究用于药物和基因递送的金纳米颗粒。
Shahbazi利用纯化的以液体形式装在一个小实验室瓶子里的实验室级金制成金纳米颗粒。他将纯化的金与导致单个金离子形成微小颗粒的溶液混合在一起，随后他们测量所形成的颗粒的尺寸。他们发现特定尺寸---19纳米宽---是最好的，这是因为它足够大、足够粘，能够将基因编辑工具添加到这些颗粒的表面上，同时又足够小，可以被细胞吸收。
2.Nat Med：捡了芝麻丢了西瓜？基因编辑婴儿携带的CCR5-∆32突变显著增加死亡率
doi:10.1038/s41591-019-0459-6
在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校的研究人员发现一名中国科学家在去年出生的一对双胞胎婴儿中试图引入的一种基因突变在表面上有助于这两名婴儿抵抗HIV病毒感染，但这也会与生命后期的死亡率增加21%存在关联性。相关研究结果发表在2019年6月的Nature Medicine期刊上，论文标题为“CCR5-∆32 is deleterious in the homozygous state in humans”。
这些研究人员扫描了英国生物库（UK Biobank）中包含的40万多个基因组和相关健康记录，发现携带CCR5基因的两个突变拷贝的人在41～78岁之间的死亡率显著高于携带一个突变拷贝或没有携带突变拷贝的人。
论文共同通讯作者、加州大学伯克利分校整合生物学教授Rasmus Nielsen说道，“除了与CRISPR婴儿有关的许多伦理问题之外，事实是，根据目前的知识，在不了解这种突变的全部作用的情况下，试图引入突变仍然是非常危险的。在这种情况下，它可能不是大多数人想要的突变。平均而言，这种突变实际上让你变得更糟糕。”
3.Nature：新型基因编辑工具完成”精准“编辑
doi:10.1038/s41586-019-1323-z
在最近一项研究中，哥伦比亚大学的一项新发现可以解决当前基因编辑工具（包括CRISPR）的一个主要缺点，并为基因工程和基因治疗提供了一种强有力的新方法。他们的新技术称为INTEGRATE，即利用细菌跳跃基因将任何DNA序列准确地插入基因组而不切割DNA。目前的基因编辑工具依赖于切割DNA，但这些切割可能导致错误的发生。相关结果发表在最近的《Nature》杂志上。
“与引入DNA断裂并依赖细胞来修复断裂的机制不同，INTEGRATE直接在基因组中的精确位置插入用户定义的DNA序列，这是分子生物学家几十年来一直寻求的能力，”作者说道。
(图片来源：Www.pixabay.com)
使用当前工具编辑细胞的基因组就像使用文字处理器编辑一个巨大的文档。通常，研究人员希望在一个特定的DNA碱基序列上做一个小的改变，使基因组的其余部分保持不变。目前最好的工具由来自细菌CRISPR-Cas系统的组件构建而成，可以在特定序列上切割DNA分子的两条链。但切割的完成仅仅是起点，实际的“编辑”是由细胞自身的DNA修复机制完成的，实践中，细胞通常使用研究人员提供的DNA序列来填补切口。然而，依靠细胞的修复机制有很大的局限性。许多细胞不正确地修复DNA断裂或在过程中引入错误，并且其他细胞甚至可能不具有必要的修复机制。此外，DNA断裂会引发DNA损伤反应，进而可能产生其他不良反应。
在这项最新的研究中，Sternberg和他的学生发现转座子整合到细菌基因组中的特定位点，而无需切割DNA。重要的是，整合酶插入DNA的位点完全由其相关的CRISPR系统控制。研究人员利用这一发现创建了一种基因编辑工具，经编程后可将任何DNA序列插入到细菌基因组的任何位点。与CRISPR一样，整合酶通过向导RNA找到合适的位点。通过重编程向导RNA，Sternberg和他的学生能够精确控制供体DNA整合的位置。通过用其他DNA有效载荷替换转座子序列，它们可以将长达10000个碱基的序列插入细菌基因组中。因此，与其他基于整合的编辑工具不同，INTEGRATE技术是迄今为止研究的首个完全可编程的插入系统。
4.Nature：基因编辑技术开发猴子模型可用于治疗自闭症
doi:10.1038/s41586-019-1278-0
利用基因组编辑系统CRISPR，麻省理工学院和中国的研究人员开发了自闭症的猴子模型。这些猴子表现出一些特定的，类似于患有自闭症的人类患者的行为特征和大脑连接模式。
此前科学家已经发现了数百种与自闭症谱系障碍相关的遗传变异，其中许多变异只能带来很小的风险。在这项研究中，研究人员专注于一个具有强烈关联的基因，称为Shank3。除了与自闭症有关外，Shank3的突变或缺失还可引起相关的罕见疾病，称为Phelan-McDermid综合征，其最常见的特征包括智力障碍，言语和睡眠能力受损以及重复行为等。Shank3编码的蛋白质存在于突触中---脑细胞之间的连接点，允许它们相互通信。它在称为纹状体的大脑的一部分中特别活跃，其涉及运动规划，动机和习惯行为。Feng和他的同事之前曾研究过Shank3突变的小鼠，发现它们显示出一些与自闭症有关的特征，包括避免社交互动和强迫性重复行为。
作者认为，尽管小鼠研究可以提供有关疾病分子基础的大量信息，但使用它们来研究神经发育障碍也存在缺陷。具体来说，小鼠缺乏灵长类物种所特有的高度发达的前额叶皮层。这一区域对于做出决定，保持集中注意力等具有重要的作用。
这些研究人员利用CRISPR技术获得了带有Shank3突变的猴子。通过对实验数据进行分析，他们发现具有Shank3突变的猕猴表现出与具有相同基因突变的人类相似的行为模式。它们往往在夜间经常醒来，并且表现出重复的行为。与其他猕猴相比，它们的社交互动也更少。
5.Science：基因编辑大牛张锋开发出新型基因编辑技术---CRISPR相关转座酶
doi:10.1126/science.aax9181
在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院、布罗德研究所和美国国家卫生院（NIH）的研究人员发现CRISPR相关的转座子可用于将定制的基因插入到DNA中而不需要切割它。相关研究结果于2019年6月6日在线发表在Science期刊上，论文标题为“RNA-guided DNA insertion with CRISPR-associated transposases”。在这篇论文中，他们描述了他们的新型基因编辑技术，以及它在细菌基因组中进行测试时的效果。
图片来自CC0 Public Domain。
近年来，CRISPR基因编辑技术因它具有治疗遗传性疾病的潜力而成为头条新闻。不幸的是，尽管围绕这种技术进行了大量研究，但它仍然不适合用于人类患者。这是因为这种技术容易出错---在切割DNA链时，CRISPR有时也会进行脱靶DNA切割，从而导致意料之外的不可预测的后果（有时会导致癌症）。在这项新的研究中，这些研究人员找到了一种方法，即将CRISPR与另一种蛋白结合使用，对DNA链进行编辑而不对它进行切割---他们称之为CRISPR相关转座酶（CRISPR-associated transposase, CAST）。
之前的研究已表明某些称为转座子的DNA片段，由于未知原因，能够自发地在基因组中重新定位---因此，它们被称为跳跃基因。在它们被发现后不久，科学家们已指出它们可能被用于基因编辑。这是这些研究人员在这项新的研究中所做的。他们将一种称为Tn7的转座子与用于CRISPR中的Cas12酶相结合在一起，以便对细菌基因组的一部分进行编辑。在实践中，CRISPR将Tn7转座子引导至基因组中的目标位置上---在那里，这种转座子将自身插入基因组中而无需切割它。
到目前为止，这项技术仍然处于原理验证阶段，但是已显示出很大的应用前景。在经过多次测试后，它的成功率为80%，相比之下，常规CRISPR的成功率仅为1%。然而，在此时，人们并不知道这种技术是否能够在非细菌有机体中发挥作用。
6.Nature：酶Cas13通过让宿主细菌进入休眠来阻止病毒增殖
doi:10.1038/s41586-019-1257-5
不能杀死细菌的东西让细菌变得更强大。一种被细菌用来对抗病毒的酶不仅靶向这种病毒，还靶向细菌本身。这种酶让细菌进入休眠状态，使得它成为病毒不适宜增殖的地方。在一项新的研究中，来自美国洛克菲勒大学的研究人员报道这可保护细菌免受突破其他免疫防御的突变病毒的侵害。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Cas13-induced cellular dormancy prevents the rise of CRISPR-resistant bacteriophage”。
论文通讯作者、洛克菲勒大学霍华德休斯医学研究所分子生物学家Luciano Marraffini说，解除宿主细胞的武装或者杀死宿主细胞是一种常见的免疫系统策略，但是这项新的研究首次证实它可用于细菌CRISPR防御。
科学家们已知道Cas13在这个蛋白家族中有点奇怪。如果Cas9是一把手术刀，那么Cas13更像是一把弯刀。它切割特定的靶向位置，但是也会大肆进行脱靶切割。与大多数Cas蛋白不同的是，它能够切割RNA，但不能切割DNA。
如今，他和他的同事们发现Cas13看似随意的切割是一种有价值的细菌防御工具。虽然大多数Cas酶通过阻止病毒增殖来保护细菌，但是Cas13让细菌宿主本身不再发挥功能，即进入休眠状态。这很重要，这是因为病毒很容易逃避CRISPR系统---仅仅Cas酶靶向的基因组区域发生单个基因突变就能够让病毒对免疫系统不可见。这些研究人员发现Cas13能够捕获那些潜在的“逃逸”病毒。
首先，Meeske和他的同事们分析了Cas13如何影响RNA。他们发现，这种酶广泛地切割RNA，分解病毒和宿主细胞产生的RNA。即使Cas13切割了病毒完全可以丢弃的RNA区域，病毒仍然无法增殖。这表明宿主细胞以某种方式关闭病毒增殖。当Meeske随后设计出Cas13无法识别的突变病毒时，这些病毒在李斯特菌细菌内大量增殖。但是，一起添加正常的未发生突变的病毒和发生突变的病毒实际上保护了这些细菌细胞免受病毒感染---它们让Cas13开动马力并切割细胞中的所有RNA。他说，“这是如此违反直觉和令人惊讶！”
在没有RNA的情形下，这些细菌细胞就不能继续生长和发挥功能。在不能发挥功能的细菌细胞中，突变病毒也无法增殖。
7.Nature：中国科学院、川大合作新成果！DNA碱基编辑器或能诱导大量脱靶RNA突变！
doi:10.1038/s41586-019-1314-0
近日，一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中，来自中国科学院和四川大学等机构的科学家们通过研究发现，DNA碱基编辑器能够产生成千上万个脱靶的RNA单核苷酸变异（SNVs），同时通过将点突变引入脱氨酶或能消除这些脱靶的SNVs；本文研究揭示了此前DNA碱基编辑器风险中被忽略的一方面，同时研究者通过引入工程化的脱氨酶或有望解决这一问题。
DNA碱基编辑方法能够直接在基因组DNA中进行点突变的校正，同时并不会产生任何双链的断裂（DSBs，double-strand breaks），但潜在的脱靶效应常常限制了这些方法的应用，腺相关病毒（AAV）是DNA编辑基因疗法中最常用的传递系统，由于这些病毒能够在体内持续维持基因表达的功能，因此DNA碱基编辑器所诱导的潜在RNA脱靶效应的程度在临床中得到了极大的关注。
图片来源：CC0 Public Domain。
为了在RNA水平下评估DNA碱基编辑器所引发的脱靶效应，研究人员计算了每个CBE和ABE处理的细胞中每次复制产生的脱靶RNA SNVs的数量，并通过工程化的DNA碱基编辑器脱氨酶来探索是否能够有效消除脱靶RNA SNVs。文章中，研究者将BE3 (APOBEC1-nCas9-UGI)（一种CBE）、ABE7.10 (TadA-TadA*-nCas9)(一种ABE)及携带或不携带单链RNA的GFP转染到HEK293T培养的细胞中，在证实了BE3和ABE7.10对HEK293T细胞的DNA高效编辑效率后，研究者以平均125X的深度对样本进行了RNA测序，并定量评估了每个复制细胞中的RNA SNVs。
为了保证高效的编辑，每个CBE或ABE处理的细胞复制体都要评估其目标编辑效率，随后研究者将两组的脱靶RNA SNVs的数量与GFP对照组进行对比，他们发现，在DNA碱基编辑器处理的细胞中，RNA SNVs数量惊人地高。此外，研究人员还发现，BE3和ABE7.0处理的细胞突变偏倚分别与APOBEC1和TadA的突变偏倚相同，这就说明，脱靶效应或许是DNA碱基编辑器的过表达所引起的，此外研究者还在这些脱靶的RNA SNVs中鉴别出了CBE和ABE特异性的基序和遗传区域。
为了消除碱基编辑器的RNA脱靶活性，研究者还分析了引入点突变对APOBEC1和TadA的影响效应，他们发现，三个高保真的变异：BE3W90Y+R126E， BE3 (hA3AR128A) and BE3 (hA3AY130F)能够在基准水平上降低RNA脱靶SNVs的水平，同样地，ABE突变ABE7.10F148A还能够完全消除脱靶效应。
8.elife：基因编辑鸡胚能够抵抗禽流感
doi:10.7554/eLife.45066
在最近一项研究中，科学家成功地利用基因编辑技术阻止禽流感病毒在鸡胚细胞中传播。这些发现提高了培育出对该疾病具有抗性的“转基因”鸡的可能性。相关结果发表在最近一期的《eLife》杂志上。
该研究的焦点是鸡细胞中一种称为ANP32A的蛋白分子。伦敦帝国理工学院的研究人员发现，在感染过程中，流感病毒劫持了这种分子以帮助自我复制。研究人员与爱丁堡大学罗斯林研究所的专家合作，利用基因编辑技术去除负责编码ANP32A的基因片段。之后，他们发现流感病毒不再能够在这些发生遗传变化的细胞中生长。
伦敦帝国理工学院流感病毒学教授Wendy Barclay教授说：“我们早就知道，鸡是流感病毒的储存库。在这项研究中，我们发现了我们可以通过微调鸡细胞的遗传物质，从而有助于阻止流感病毒感染。这有可能阻止下一次流感大流行。”
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