Nature Biotechnology发布CRISPR基因编辑新成果

　　

生物通报道   第一次研究人员利用一种病毒载体传送基因组编辑元件来治疗罹患一种遗传疾病的动物模型，纠正了致病突变。宾夕法尼亚大学Perelman医学院研究人员领导的一项新研究表明，将这一载体传送到新生小鼠体内可改善它们的生存，但出人意料地是治疗成年小鼠则会让它们的情况变得更糟。该研究小组将他们的成果发布在本周的《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

论文的资深作者是Perelman医学院医学教授、罕见病中心主任James Wilson博士。去年8月，Nature Biotechnology杂志公布了2014年度转化领域最顶尖的20名研究者的排名，Wilson博士因2014年获批的专利数量达到10个而位列其中（延伸阅读：Nature: 张锋、程金泉入选2014转化领域Top研究者）。

Wilson博士说：“在出生后纠正这一动物模型中的一种致病突变让我们朝着实现个体化医疗的潜能更进了一步。长达35年的基因治疗研究生涯让我知道将小鼠研究转化为成功地人类治疗有多么的困难。我们现正在调控这一基因编辑系统，以求在我们下一阶段的调查研究中解决成年动物中看到的这些意料之外的并发症。”

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Wilson实验室在由鸟胺酸氨甲酰基转移酶（OTC）缺陷引起的一种罕见代谢性尿素循环障碍疾病(urea-cycle disorder)动物模型中展开了研究。OTC缺陷是最常见的尿素循环障碍疾病，在每4万个新生儿中就有一人受累于这一疾病。突变OTC基因可编码生成比正常要短，呈错误的形状的酶 ，或有可能根本不生成蛋白。由于负责OTC缺陷的遗传突变发生在X染色体上，因此妇女通常是携带者，她们携带突变基因的儿子会罹患这种疾病。

剪切和粘贴

研究小组将两个腺相关病毒（AVV,具体来说是Wilson实验室发现对肝细胞有亲和力的AAV8血清型）注入到了有OTC缺陷的新生小鼠体内，一个AAV表达Cas9，另一个表达一条导向RNA和供体DNA。

传送Cas9的AAV通过一种肝脏特异性的启动子，确保了当AAV注入到血液中时它只在肝细胞中表达。这一双系统中的另一个AAV传送了一条导向RNA，并且这一AAV还包含了纠正突变的一个供体DNA模板使得细胞能够生成正常的OTC蛋白。

整个校正系统从根本上说是发挥一种“剪切和粘贴”功能，最后的“粘贴”阶段依赖于细胞自身的DNA修复机制来正确地重新连接OTC基因。

在新生小鼠中，注入的AAV系统在10%的肝细胞中纠正了突变，他们还看到在遭遇一种高蛋白饮食挑战（在小鼠中这会使得OTC缺陷症状更加严重）的年轻小鼠中存活率增高了。相比之下，30%以上的未处理OTC缺陷小鼠在一周后死亡，它们的氨水平显著高于基因获得纠正的OTC小鼠。深度测序从治疗小鼠肝细胞中分离出的DNA也表明，突变获得纠正与生存结果相一致。

另一方面，使用相同的双AAV系统在8-10周龄的成年OTC缺陷小鼠中基因校正率要低得多。这些成年小鼠还显示在正常的普通饮食条件下蛋白质耐量降低及致命的高血氨症 (hyperammonemia)。3周后，给予低剂量基因校正治疗的成年小鼠开始死亡，违反直觉地是，给予高剂量基因校正治疗的小鼠在注射后9天开始死亡。

论文的共同第一作者、病理学与实验医学研究副教授Lili Wang博士说：我们对这些结果感到惊讶，通过进一步的研究我们阐明了基因编辑加重成年动物病情的机制。通过检测成年小鼠肝细胞中的DNA序列，他们发现具有校正粘贴功能的细胞的比率仅为1%。“这肯定不足以帮助这些成年小鼠，”Wang指出。更严重的问题及完全出乎意料地是，许多未校正基因包含大片段缺失，消除了突变OTC基因的残余活性。

纠正基因的第一步就是在有供体DNA存在的情况下，通过Cas9在突变的附近造成DNA断裂（切割），这为在所谓的同源介导修复（HDR）中纠正突变创造了条件。“看起来，相比于成体肝细胞，HDR在新生肝细胞中更有效，”Wilson说。

在缺乏HDR的情况下，细胞则会利用另一个称作为非同源末端连接(NHEJ)的过程来修复切割。研究小组了解到，在成体肝细胞中NHEJ造成了更大的片段缺失，其中一些消除了OTC基因的残存功能。

当前，这一研究小组正在探索一些方法在不引发大片段缺失的情况下进行切割，并同时提高粘贴的效率，力图避免在罹患肝病的成年患者中出现上述问题。

去年3月，Whitehead研究所的研究人员曾提出了一个通过抑制NHEJ完善CRISPR/Cas系统的方案。他们在对受精卵进行基因编辑的同时使用了一种抗癌药物Scr7，Scr7能结合DNA连接酶I进而阻断NHEJ修复通路。他们的这项研究将CRISPR/Cas的效率提高了19倍（延伸阅读：Nature技术突破：将CRISPR效率提高19倍）。

另外，在今天的Nature Biotechnology杂志上，麻省理工学院的研究人员称他们开发出了一种方法，能够安全、高效地利用CRISPR治疗疾病（延伸阅读：薛文博士Nature子刊：高效、安全地利用CRISPR治疗疾病）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

A dual AAV system enables the Cas9-mediated correction of a metabolic liver disease in newborn mice

Many genetic liver diseases in newborns cause repeated, often lethal, metabolic crises. Gene therapy using nonintegrating viruses such as adeno-associated virus (AAV) is not optimal in this setting because the nonintegrating genome is lost as developing hepatocytes proliferate1, 2. We reasoned that newborn liver may be an ideal setting for AAV-mediated gene correction using CRISPR-Cas9. Here we intravenously infuse two AAVs, one expressing Cas9 and the other expressing a guide RNA and the donor DNA, into newborn mice with a partial deficiency in the urea cycle disorder enzyme, ornithine transcarbamylase (OTC). This resulted in reversion of the mutation in 10% (6.7–20.1%) of hepatocytes and increased survival in mice challenged with a high-protein diet, which exacerbates disease. Gene correction in adult OTC-deficient mice was lower and accompanied by larger deletions that ablated residual expression from the endogenous OTC gene, leading to diminished protein tolerance and lethal hyperammonemia on a chow diet.