新CRISPR技术可“跳过”导致疾病的部分基因
2021-07-30

新CRISPR技术可“跳过”导致疾病的部分基因

在一项新的细胞研究中,伊利诺伊大学的研究人员对CRISPR基因编辑技术进行改进,使细胞的内部机制在将基因转录成蛋白质时跳过一小部分基因。这为研究人员提供了一种方法,不仅可以消除突变的基因序列,还能不影响基因的表达和调控方式。这种有针对性的基因编辑有朝一日可用于治疗由基因组突变引起的遗传性疾病,如杜氏肌营养不良症、亨廷顿氏病或某些类型的癌症。

CRISPR技术通常是在靶向基因启动前切断DNA以关闭基因表达,但当DNA重新结合后,容易诱发突变。这种情况可能导致新的问题,例如DNA可能会在非预期位置断裂,以及断裂的DNA可能会重新附着到其它染色体上。

在《Genome Biology》杂志中报道的新CRISPR-SKIP技术不会分解DNA链,而是改变目标DNA序列中的单个碱基。伊利诺斯州生物工程学教授Pablo Perez-Pinera表示,鉴于破坏DNA的传统基因编辑技术存在问题,科学家们必须找到优化工具来修饰基因。CRISPR-SKIP是一个很好的新技术,其可以在不破坏基因组DNA的情况下调节基因。Pablo Perez-Pinera教授与伊利诺伊大学物理学教授Jun Song一起领导了这项研究。两位都隶属于伊利诺斯大学的Carl R. Woese基因组生物学研究所。

在哺乳动物细胞中,基因由分割的外显子组成,外显子散布在基因组各区,位于它们之间的内含子序列似乎不编码任何物质。当细胞将基因转录成RNA以备翻译成蛋白质时,DNA序列中有明确信号表明哪些部分是外显子,属于基因的一部分。细胞将从编码部分转录的RNA拼接在一起,得到一个用于制造蛋白质的连续RNA模板。

CRISPR-SKIP改变外显子序列起始前的单个碱基,使细胞将其认为是非编码部分。生物工程研究生兼该论文的第一作者Michael Gapinske认为,当细胞将外显子视为非编码DNA时,该外显子不包含在成熟RNA中,因此可以有效地从蛋白质中去除相应的氨基酸。Carle Illinois医学院教授Perez-Pinera认为,虽然跳过外显子会导致蛋白质缺少少量氨基酸,但被截短的蛋白质通常会保留部分或完全活性,这可能足以恢复某些遗传疾病的功能。

研究人员表示,还有其它可以跳过外显子或消除氨基酸的方法,但由于这些方法不能永久改变DNA,并且需要在患者的整个生命周期内重复给药,因此这些方法只能提供短暂的益处。物理研究生兼该研究的共同作者Alan Luu认为,通过使用CRISPR-SKIP编辑基因组DNA中的单个碱基,就可以永久地敲除外显子,因此,一次治疗就可以实现对疾病的长期校正。相反,如果需要重新激活外显子,这个过程也是可逆的。

研究人员在小鼠和人类的多种细胞系(包括健康的细胞系和癌细胞系)中测试了CRISPR-SKIP技术,结果证实它能够用在不同类型的细胞中。他们对接受CRISPR-SKIP处理的细胞中的DNA和RNA进行测序,发现CRISPR-SKIP系统能够高效地靶向特定碱基和跳过一个外显子,并且还证实如果需要的话,能够将靶向不同位点的CRISPR-SKIP组合在一起跳过一个基因中的多个外显子。他们希望在活的动物体内测试这种技术的编辑效率,这是评估它的治疗潜力的第一步。比如,在杜氏肌营养不良症中,仅校正5%~10%的细胞就足以实现治疗的益处。利用CRISPR-SKIP,研究人员在他们研究过的很多细胞系中观察到校正率达到20%~30%以上。

鉴于研究人员在非目标位点发现了一些突变,他们正在努力使CRISPR-SKIP更加高效和更加特异性。Song教授表示,生物学很复杂,人类基因组超过30亿个碱基,因此,CRISPR-SKIP在与预期区域相似的位置靶向碱基的可能性是不可忽视的,这是任何基因编辑技术都需要注意的事情。脱靶突变可能是医疗应用的主要障碍,因此科学家们花费大量时间进行广泛测序以寻找其原因。希望未来改进基因编辑技术时可以提高CRISPR-SKIP的特异性,以便解决基因治疗无法在临床中广泛应用的问题。



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