Nature新技术助力CRISPR基因编辑

利用对于人类细胞中基因组织与修复机制的认识，加拿大的研究人员开发出了一项能够促使更有效及安全地使用基因治疗的新技术。研究工作发表在近期的Nature和Nucleic Acids Research杂志上。

　　

生物通报道  利用对于人类细胞中基因组织与修复机制的认识，加拿大的研究人员开发出了一项能够促使更有效及安全地使用基因治疗的新技术（薛文博士Nature子刊：高效、安全地利用CRISPR治疗疾病 ）。研究工作发表在近期的Nature和Nucleic Acids Research杂志上。

荣登2015年十大科学突破榜首的CRISPR，可以准确地靶向和编辑DNA，有潜力治愈一些遗传性疾病，并找到治疗癌症的新方法（Science十大科学突破 CRISPR登榜首 ）。

要在非分裂细胞（例如肌肉细胞和脑细胞）中应用CRISPR，研究人员必须首次使它们表现得像分裂细胞。为此他们开启了一个叫做同源重组的细胞过程——这一过程保护了DNA；同源重组在实现操控及重排细胞基因的同时保证了不会出现造成的损伤大于利益的情况。

加拿大戴尔豪斯大学的Graham Dellaire博士说：“你无法在非分裂细胞中准确地修复基因，是因为没能开启同源重组一类的基本信号通路确保执行基因治疗。”

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“我的同事，加拿大西奈山医院Lunenfeld-Tanenbaum研究所Daniel Durocher博士和他的研究小组，找到了一种方法在非分裂细胞中重新激活完成基因编辑必需的同源重组，但他的研究小组需要一种方法来证实它。这就是我们提供帮助的地方。”

瞄准靶基因

在Dalhousie医学院的实验室中，Dellaire博士想出了一种荧光标记技术，使得科学家们能够确定何时在细胞中成功地实现了基因打靶——甚至是在非分裂细胞中。

Dellaire博士解释说：“我们的技术可以检测基因编辑的效率。我们知道，当我们操控的细胞变绿，有一个漂亮的环出现细胞核的周围时我们实现了精确的基因编辑。随后借助于绿色荧光我们计数了成千上万的细胞样本，我们的最终统计结果非常的好。”

“过去人们认为无法在非分裂细胞中完成精确基因编辑。这就是Durocher博士的研究突破及我们发表在Nature杂志上的论文具有深远意义的原因。我们不仅提供了首个证据证实，在非分裂细胞中进行基因编辑实际是有可能的，我们还得到了一个筛查系统使得能够不断改进基因治疗。”

到目前为止，CRISPR已被用来治疗一些疾病——它们影响了由分裂细胞构成的身体组成部分，如血液（Cell Stem Cell：用CRISPR实现iPS细胞治疗）。

新机制将使得基因治疗能够适用于肌肉骨骼和神经系统疾病——这些系统是由非分裂细胞构成。还能够利用它来对抗某些类型的感染。

Dellaire说：“如果你受到疱疹病毒一类病毒的终身潜伏感染，我们可以利用CRISPR基因治疗除去它。想象一下如果你面霜中的某种成分可以删除疱疹病毒基因组，你的嘴唇上将再不会起水疱。”

让基因治疗更安全

20多年前，一些重症综合性免疫缺陷患儿成为了第一批接受基因治疗的人。然而基因治疗导致他们罹患了白血病。

“病毒基因治疗治愈了这些孩子。人们利用一种病毒将一个健康的新基因插入到DNA中，替换了错误的基因。这引起的世界的关注，成为了头条新闻。但将病毒随机插入到基因组中，改变了孩子们的DNA，形成了突变。”

尽管CRISPR仍然不够高效，尚未能超越病毒用于基因治疗，它正在接近目标。

利用他的荧光筛查技术，Dellaire博士发现一些分子能够将基因打靶的效率提高6倍。但它们因潜在的毒性还不适合用于患者，因此需要寻找新分子。

Dellaire说：“利用病毒将基因插入到我们的DNA中是危险的，我们希望我们的筛查系统将帮助鉴别出一些提高CRISPR效率的分子。最终的目标是替代病毒基因治疗，使基因治疗能够更有效、更高效、更安全地用于患者。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

A mechanism for the suppression of homologous recombination in G1 cells

DNA repair by homologous recombination1 is highly suppressed in G1 cells2, 3 to ensure that mitotic recombination occurs solely between sister chromatids4. Although many homologous recombination factors are cell-cycle regulated, the identity of the events that are both necessary and sufficient to suppress recombination in G1 cells is unknown. Here we report that the cell cycle controls the interaction of BRCA1 with PALB2–BRCA2 to constrain BRCA2 function to the S/G2 phases in human cells. We found that the BRCA1-interaction site on PALB2 is targeted by an E3 ubiquitin ligase composed of KEAP1, a PALB2-interacting protein5, in complex with cullin-3 (CUL3)–RBX1 (ref. 6). PALB2 ubiquitylation suppresses its interaction with BRCA1 and is counteracted by the deubiquitylase USP11, which is itself under cell cycle control. Restoration of the BRCA1–PALB2 interaction combined with the activation of DNA-end resection is sufficient to induce homologous recombination in G1, as measured by RAD51 recruitment, unscheduled DNA synthesis and a CRISPR–Cas9-based gene-targeting assay. We conclude that the mechanism prohibiting homologous recombination in G1 minimally consists of the suppression of DNA-end resection coupled with a multi-step block of the recruitment of BRCA2 to DNA damage sites that involves the inhibition of BRCA1–PALB2–BRCA2 complex assembly. We speculate that the ability to induce homologous recombination in G1 cells with defined factors could spur the development of gene-targeting applications in non-dividing cells.