華人學者Science基因組編輯新技術
日期:2013-01-05 09:05:14
來自麻省理工學院、Broad研究所和洛克菲勒大學的研究人員開發了一項新技術,可通過添加或刪除基因精確改變活細胞的基因組。研究人員說這一技術有可能為我們提供一種使用方便的廉價方法,用于操控生物體生產生物燃料,設計動物模型研究人類疾病,開發新療法,以及其他潛在應用。
為了創造出這一新基因組編輯技術,研究人員對一組細菌蛋白進行了修飾,這些蛋白通常對病毒入侵起抵御作用。該研究小組的負責人、麻省理工學院腦與認知科學助理教授、McGovern 腦研究所和Broad研究所核心成員張鋒(Feng Zhang,音譯)說,利用這一系統,科學家們可以同時改變數個基因組位點,可以更好地控制新基因的插入位點?!坝腥魏涡枰獙δ骋簧矬w進行操控,插入新基因或修飾生物體的基因組,都將能夠由此獲益,”張鋒說。
張鋒及其同事在1月3日《科學》(Science)雜志上的一篇論文中對這一新技術進行了詳細描述。論文的主要作者還包括研究生Le Cong和Ann Ran。
早期的努力
上世紀80年代,科學家們通過將小片段DNA添加到小鼠胚胎干細胞中,構建出了第一個轉基因小鼠。這種方法目前被廣泛應用于構建研究人類疾病的轉基因小鼠,然而,由于該方法是將DNA隨機插入基因組,研究人員無法讓新遞送基因靶向替代現有基因。
近年來,科學家們一直在尋求更精確的基因組編輯方法。有一種稱作同源重組的方法,是通過在目的基因兩側引入與插入基因組區域相匹配的序列,將一段DNA片段導入到受體細胞基因組上。然而由于自然重組過程在正常細胞中不常發生,因此這一技術的成功率很低。
最近,生物學家們發現,他們可通過添加一種切割DNA的核酸酶來提高這一過程的效率。鋅指核酸酶通常用于將核酸酶遞送到某一特定位點,然而由于鋅指酶無法靶向每一種可能的DNA序列,限制了它們的應用。此外,組裝這些蛋白也是一個費勞力的昂貴的過程。
稱作轉錄激活因子樣效應物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)的復合物,也可用于在特異位點切割基因組,但這些復合物同樣昂貴,且難于組裝。
精確靶向
張鋒說新系統更加容易使用。利用自然生成的細菌蛋白質-RNA系統識別和剪斷病毒DNA,研究人員能夠生成一些DNA編輯復合物,復合物中包含有結合短RNA序列的Cas9核酸酶。這些序列設計靶向基因組中的特異位點;當它們遇到匹配序列時,Cas9就會切割DNA。
這種方法可用于破壞某一基因的功能,或是用新基因來替代它。為了實現基因替代,研究人員還必須添加一個新基因的DNA模板,以便在DNA切割后將其拷貝到基因組中。
每個RNA片段都可以靶向不同的序列?!捌涿钐幵谟凇憧梢暂p易地指定一種核酸酶靶向基因組中一個或更多的位點,”張鋒說。
這種方法也非常的精密,哪怕RNA靶向序列和基因組序列之間存在有一個堿基對差異,Cas9都不會激活。這是不同于鋅指酶或TALEN之處。新系統相比TALEN似乎更有效,且更為廉價。
新系統是“基因組編輯領域的一個重大進展,在第一階段其似乎已經與鋅指核酸酶及TALENs效率相當,”威斯康星醫學院生理學副教授Aron Geurts說:“解密日益增加的、與人類健康及疾病相關的遺傳變異數據,需要在模型系統中利用這類可擴展的精確的基因組編輯技術?!?/SPAN>
研究小組已經將必需的遺傳元件交給非盈利組織Addgene保管,確保想利用這一系統的其他研究人員能夠廣泛獲取這些元件。研究人員還建立了一個網站,提供建議以及使用這一技術的工具。
設計新療法
在其他可能的應用中,這一系統還可能用于設計新療法,治療由單個遺傳變異引起的疾病,如亨廷頓氏舞蹈病。當前正在開展的臨床實驗是利用鋅指核酸酶來破壞基因,新技術有可能提供一種更有效的替代方法。
這一系統或許還可用于治療HIV,從患者處獲取淋巴細胞,突變其CCR5受體,然后再將細胞回輸到患者體內,這樣的細胞將能夠抵御感染。
通過在人類干細胞中誘導特異突變,這種方法也可以使研究人類疾病變得更為容易。“利用這一基因編輯系統,你可以非常系統地引入單個突變,使干細胞分化為神經元或心肌細胞,觀察這些突變對細胞生物學的改變,”張鋒說。
在Science新研究中,研究人員在實驗室培養的細胞中測試了這一系統,他們還計劃將這一新技術應用于研究腦功能和疾病。
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