<p>在CRISPR基因編輯系統(tǒng)的基礎上，麻省理工學院的研究人員設計了一種新的工具，可以以一種更安全、更有效的方式，剪掉有缺陷的基因，并用新基因替換它們。</p> <p>&nbsp;</p> <p>使用這個系統(tǒng)，研究人員表明他們可以將多達36000個DNA堿基對的基因傳遞到幾種類型的人類細胞，以及老鼠的肝細胞。這種被稱為PASTE的新技術有望用于治療由大量突變的缺陷基因引起的疾病，如囊性纖維化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學院麥戈文大腦研究所的麥戈文研究員奧馬爾&middot;阿布達耶說:&ldquo;這是一種新的基因方法，可以潛在地針對這些很難治療的疾病。&rdquo;&ldquo;我們希望朝著基因療法最初應該做的方向努力，那就是替換基因，而不僅僅是糾正個體突變。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這種新工具結合了對CRISPR-Cas9(一組最初來源于細菌防御系統(tǒng)的分子)和一種被稱為整合酶的酶的精確靶向，病毒利用這種酶將自己的遺傳物質插入細菌基因組。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;就像CRISPR一樣，這些整合酶來自于細菌和感染它們的病毒之間持續(xù)的戰(zhàn)斗，&rdquo;麥戈文研究員喬納森&middot;古滕伯格說。&ldquo;這說明了我們如何從這些自然系統(tǒng)中不斷發(fā)現大量有趣和有用的新工具。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gootenberg和Abudayyeh是這項新研究的資深作者，今天發(fā)表在《自然生物技術》上。這項研究的主要作者是麻省理工學院的技術人員馬修&middot;亞納爾和羅漢&middot;克拉耶斯基，前麻省理工學院研究生埃莉奧諾拉&middot;約阿尼迪和麻省理工學院研究生西亞&middot;施密特-烏爾姆斯。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">DNA插入</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)由一種名為Cas9的dna切割酶和一條短RNA鏈組成，短RNA鏈引導這種酶到達基因組的特定區(qū)域，指導Cas9在哪里切割。當Cas9和靶向疾病基因的引導RNA被傳遞到細胞中時，基因組中會有一個特定的切口，細胞的DNA修復過程會將切口粘合在一起，通常會刪除基因組的一小部分。</p> <p>&nbsp;</p> <p>如果DNA模板也被傳遞，細胞可以在修復過程中將一個修正的拷貝合并到它們的基因組中。然而，這一過程需要細胞在DNA中進行雙鏈斷裂，這可能導致對細胞有害的染色體缺失或重排。另一個限制是它只在分裂的細胞中起作用，因為未分裂的細胞沒有活躍的DNA修復過程。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學院的研究小組想要開發(fā)一種工具，可以在不引起任何雙鏈DNA斷裂的情況下，切割出有缺陷的基因，并用新的基因替換它。為了實現這一目標，他們求助于一種叫做整合酶的酶家族，這種酶被稱為噬菌體的病毒用來插入細菌基因組。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項研究中，研究人員專注于絲氨酸整合酶，它可以插入巨大的DNA塊，大到5萬個堿基對。這些酶的目標是被稱為附著位點的特定基因組序列，它起著&ldquo;著陸墊&rdquo;的作用。當它們在宿主基因組中找到正確的著陸點時，就會與之結合，整合它們的DNA負載。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在過去的工作中，科學家們發(fā)現開發(fā)這些酶用于人類治療是很有挑戰(zhàn)性的，因為著陸墊非常特定，很難對整合酶進行重編程以定位其他位點。麻省理工學院的研究小組意識到，將這些酶與插入正確著落位點的CRISPR-Cas9系統(tǒng)結合，將使強大的插入系統(tǒng)容易重新編程。</p> <p>&nbsp;</p> <p>新的工具，PASTE(可編程添加通過位點特異性靶向元件)，包括一種Cas9酶，在與該位點結合的RNA鏈的引導下，切割特定的基因組位點。這使得他們可以針對基因組中的任何位置插入登陸位點，登陸位點包含46個DNA堿基對。這種插入可以在不引入任何雙鏈斷裂的情況下完成，首先通過融合的逆轉錄酶添加一條DNA鏈，然后是它的互補鏈。</p> <p>&nbsp;</p> <p>一旦登陸位點被整合，整合酶就會出現并將其更大的DNA負載插入到該位點的基因組中。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們認為這是實現可編程DNA插入夢想的一大步，&rdquo;Gootenberg說。&ldquo;這種技術可以很容易地根據我們想要整合的網站和貨物進行定制。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">基因替換</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項研究中，研究人員表明，他們可以使用PASTE將基因插入幾種類型的人類細胞，包括肝細胞、T細胞和淋巴母細胞(未成熟的白細胞)。他們用13個不同的有效載荷基因測試了這個傳遞系統(tǒng)，其中包括一些可能具有治療價值的基因，并能夠將它們插入基因組的9個不同位置。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這些細胞中，研究人員能夠以5%到60%的成功率插入基因。這種方法在基因整合的位點上也產生了很少的不需要的&ldquo;內嵌&rdquo;(插入或刪除)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Abudayyeh說:&ldquo;我們看到很少的內鏈，因為我們沒有雙鏈斷裂，你不必擔心染色體重排或大規(guī)模的染色體臂缺失。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員還證明，他們可以在&ldquo;人性化&rdquo;的小鼠肝臟中插入基因。這些小鼠的肝臟由大約70%的人類肝細胞組成，而PASTE成功地將新基因整合到這些細胞中的2.5%。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員在這項研究中插入的DNA序列長達36000個堿基對，但他們相信甚至可以使用更長的序列。人類基因的堿基對從幾百個到200多萬個不等，盡管出于治療目的，只需要使用蛋白質的編碼序列，這大大減少了需要插入基因組的DNA片段的大小。</p> <p>&ldquo;定點進行大規(guī)模基因組整合的能力對基礎科學和生物技術研究都具有巨大的價值。我預計，這個工具集將非常有利于研究界，&rdquo;加州大學圣地亞哥分校的生物工程教授Prashant Mali說，他沒有參與這項研究。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員現在正在進一步探索使用這種工具替代有缺陷的囊性纖維化基因的可能性。這項技術也可以用于治療由缺陷基因引起的血液病，如血友病和G6PD缺乏癥，或亨廷頓舞蹈病，一種由缺陷基因有太多基因重復引起的神經系統(tǒng)疾病。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員還將他們的基因結構放到了網上，供其他科學家使用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;工程這些分子技術的奇妙之處在于，人們可以在它們的基礎上，以我們可能沒有想到或沒有考慮過的方式開發(fā)和應用它們，&rdquo;古滕伯格說。&ldquo;能成為這個新興社區(qū)的一員真是太棒了。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究由瑞士國家科學基金會博士后移動獎學金、美國國立衛(wèi)生研究院、麥戈文研究所神經技術項目、K. Lisa Yang和Hock E. Tan神經科學分子治療中心、G. Harold和Leila Y. Mathers慈善基金會、MIT John W. Jarve科學創(chuàng)新種子基金、動力贈款、囊胞性纖維化基金會先鋒贈款、谷歌Ventures、Fast贈款、Harvey家庭基金會、和麥戈文研究所。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>