华人学者Science基因组编辑新技术

　　

生物通报道  来自麻省理工学院、Broad研究所和洛克菲勒大学的研究人员开发了一项新技术，可通过添加或删除基因精确改变活细胞的基因组。研究人员说这一技术有可能为我们提供一种使用方便的廉价方法，用于操控生物体生产生物燃料，设计动物模型研究人类疾病，开发新疗法，以及其他潜在应用。

为了创造出这一新基因组编辑技术，研究人员对一组细菌蛋白进行了修饰，这些蛋白通常对病毒入侵起抵御作用。该研究小组的负责人、麻省理工学院脑与认知科学助理教授、McGovern 脑研究所和Broad研究所核心成员张锋（Feng Zhang，音译）说，利用这一系统，科学家们可以同时改变数个基因组位点，可以更好地控制新基因的插入位点。“有任何需要对某一生物体进行操控，插入新基因或修饰生物体的基因组，都将能够由此获益，”张锋说。

张锋及其同事在1月3日《科学》（Science）杂志上的一篇论文中对这一新技术进行了详细描述。论文的主要作者还包括研究生Le Cong和Ann Ran。

早期的努力

上世纪80年代，科学家们通过将小片段DNA添加到小鼠胚胎干细胞中，构建出了第一个转基因小鼠。这种方法目前被广泛应用于构建研究人类疾病的转基因小鼠，然而，由于该方法是将DNA随机插入基因组，研究人员无法让新递送基因靶向替代现有基因。

近年来，科学家们一直在寻求更精确的基因组编辑方法。有一种称作同源重组的方法，是通过在目的基因两侧引入与插入基因组区域相匹配的序列，将一段DNA片段导入到受体细胞基因组上。然而由于自然重组过程在正常细胞中不常发生，因此这一技术的成功率很低。

最近，生物学家们发现，他们可通过添加一种切割DNA的核酸酶来提高这一过程的效率。锌指核酸酶通常用于将核酸酶递送到某一特定位点，然而由于锌指酶无法靶向每一种可能的DNA序列，限制了它们的应用。此外，组装这些蛋白也是一个费劳力的昂贵的过程。

称作转录激活因子样效应物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)的复合物，也可用于在特异位点切割基因组，但这些复合物同样昂贵，且难于组装。

精确靶向

张锋说新系统更加容易使用。利用自然生成的细菌蛋白质-RNA系统识别和剪断病毒DNA，研究人员能够生成一些DNA编辑复合物，复合物中包含有结合短RNA序列的Cas9核酸酶。这些序列设计靶向基因组中的特异位点；当它们遇到匹配序列时，Cas9就会切割DNA。

这种方法可用于破坏某一基因的功能，或是用新基因来替代它。为了实现基因替代，研究人员还必须添加一个新基因的DNA模板，以便在DNA切割后将其拷贝到基因组中。

每个RNA片段都可以靶向不同的序列。“其妙处在于——你可以轻易地指定一种核酸酶靶向基因组中一个或更多的位点，”张锋说。

这种方法也非常的精密，哪怕RNA靶向序列和基因组序列之间存在有一个碱基对差异，Cas9都不会激活。这是不同于锌指酶或TALEN之处。新系统相比TALEN似乎更有效，且更为廉价。

新系统是“基因组编辑领域的一个重大进展，在第一阶段其似乎已经与锌指核酸酶及TALENs效率相当，”威斯康星医学院生理学副教授Aron Geurts说：“解密日益增加的、与人类健康及疾病相关的遗传变异数据，需要在模型系统中利用这类可扩展的精确的基因组编辑技术。”

研究小组已经将必需的遗传元件交给非盈利组织Addgene保管，确保想利用这一系统的其他研究人员能够广泛获取这些元件。研究人员还建立了一个网站，提供建议以及使用这一技术的工具。

设计新疗法

在其他可能的应用中，这一系统还可能用于设计新疗法，治疗由单个遗传变异引起的疾病，如亨廷顿氏舞蹈病。当前正在开展的临床实验是利用锌指核酸酶来破坏基因，新技术有可能提供一种更有效的替代方法。

这一系统或许还可用于治疗HIV，从患者处获取淋巴细胞，突变其CCR5受体，然后再将细胞回输到患者体内，这样的细胞将能够抵御感染。

通过在人类干细胞中诱导特异突变，这种方法也可以使研究人类疾病变得更为容易。“利用这一基因编辑系统，你可以非常系统地引入单个突变，使干细胞分化为神经元或心肌细胞，观察这些突变对细胞生物学的改变，”张锋说。

在Science新研究中，研究人员在实验室培养的细胞中测试了这一系统，他们还计划将这一新技术应用于研究脑功能和疾病。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems

Functional elucidation of causal genetic variants and elements requires precise genome editing technologies. The type II prokaryotic CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) adaptive immune system has been shown to facilitate RNA-guided site-specific DNA cleavage. We engineered two different type II CRISPR systems and demonstrate that Cas9 nucleases can be directed by short RNAs to induce precise cleavage at endogenous genomic loci in human and mouse cells. Cas9 can also be converted into a nicking enzyme to facilitate homology-directed repair with minimal mutagenic activity. Finally, multiple guide sequences can be encoded into a single CRISPR array to enable simultaneous editing of several sites within the mammalian genome, demonstrating easy programmability and wide applicability of the CRISPR technology.