除了CRISPR,你還應(yīng)該知道的基因編輯方法

1、除了 CRISPR，你還應(yīng)該知道的基因編輯方法圖片：Argonaute蛋白（模型如圖）是潛在的CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)替代品之一CRISPR-Cas9系統(tǒng)讓科學(xué)家可以按自己的想法改造基因，由于比先前的技術(shù)更簡(jiǎn)單、成本 更低、更萬(wàn)能，CRISPR-Cas9幾乎席卷了全世界的實(shí)驗(yàn)室，為基礎(chǔ)研究和醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)ふ腋?多有應(yīng)用價(jià)值的發(fā)現(xiàn)。但與貢獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)的是，CRISPR-Cas9也有其局限性。今年中國(guó)的研 究人員韓春雨發(fā)布了一套新的基因編輯系統(tǒng)NgAgo，讓全世界的研究人員都燃起了極大的 熱情，因?yàn)樗型娲鶦RISPR-Cas9，但正如哈佛醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)者George Church所 言：這也

2、同時(shí)提醒我們每一個(gè)新技術(shù)都很脆弱。NgAgo也只是越來(lái)越多的基因編輯工具之一，它們有些是在CRISPR的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變， 有些是尋找新的基因組編輯方法。本文總結(jié)了目前主流的基因剪輯技術(shù)研究方向。1、mini-me或許未來(lái)CRISPR-Cas9會(huì)被用來(lái)改寫(xiě)遺傳疾病的基因，但一條RNA鏈和一個(gè)Cas9酶的 組合太過(guò)龐大，并不適合用于目前最常用的疾病治療一一將外源基因整合到病毒上再轉(zhuǎn)入人 體細(xì)胞這一過(guò)程。目前的解決方案是采用一種從金黃色葡萄球菌里提取的mini-Cas91,它 足夠小能夠進(jìn)入目前市場(chǎng)上用于基因療法的病毒內(nèi)部。去年12月，有兩個(gè)研究組用mini-meCas9來(lái)修正了小鼠的杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良

3、基因2,3。2、擴(kuò)大剪輯范圍Cas9并不是隨意剪輯基因，而是只能在有特定DNA序列的位點(diǎn)進(jìn)行剪輯，很多基因組都 能滿(mǎn)足這個(gè)需求，但對(duì)于另一些實(shí)驗(yàn)就是很痛苦的限制。研究人員正在尋找能夠提供剪輯不 同序列的酶的微生物，這樣才能擴(kuò)大能夠修飾的基因的范圍。其中一種叫做C pf1的酶可能 會(huì)成為一種有吸引力的選擇，它比Cas9小，有不同的序列要求并且高度特異4,5。另外一 種酶C2c2，它的靶序列是RNA而不是DNA，它的潛力在于可以通過(guò)研究RNA基因組來(lái) 對(duì)抗病毒6。3、真正的基因編輯很多實(shí)驗(yàn)室用CRISPR-Cas9都只是刪除部分基因來(lái)廢除某種功能，正如Church所言“人 們希望聽(tīng)到勝利的消息，但

4、是燒掉一頁(yè)書(shū)并不算是編輯一本書(shū)?！蹦切┫胍粨Q序列的研究面 臨的困難更大。當(dāng)Cas切掉基因后，細(xì)胞通常會(huì)把斷裂的序列鏈接起來(lái)，這就是做基因切 除的研究人員們想要的。但對(duì)于想要改寫(xiě)基因的研究人員，他們依賴(lài)的的是另一種可以插入 序列的細(xì)胞修復(fù)機(jī)制，這當(dāng)然比普通的連接修復(fù)機(jī)制頻率低得多。明尼蘇達(dá)大學(xué)的植物學(xué)研 究人員Daniel Voytas說(shuō)“很多人都認(rèn)為未來(lái)是可以編輯很多基因，但我認(rèn)為我們甚至連目 前這一個(gè)都做不到合理的效率?！钡^(guò)去幾個(gè)月的發(fā)展給了 Voytas希望，今年4月份的時(shí)候研究人員發(fā)布了一項(xiàng)研究結(jié)果， 用失活的Cas9綁定另外一種酶，成功地改變了 DNA鏈上特定的堿基。時(shí)候的Cas9

5、仍然 可以通過(guò)引導(dǎo)RNA定位到特定的DNA序列，但是不進(jìn)行剪輯，由附加的酶對(duì)DNA位點(diǎn)進(jìn) 行編輯，最后把該位點(diǎn)的C變成了 T7。上周science上發(fā)表的一篇論文也得到了類(lèi)似 的結(jié)果8。Voytas和研究人員對(duì)于通過(guò)失活的Cas9綁定其他酶這一方法充滿(mǎn)了希望，這 也許會(huì)帶來(lái)不同對(duì)DNA序列的不同及改變。4、關(guān)于Argonautes的探索今年5月，在Nature Biotechnology上的一篇論文公開(kāi)了一種完全全新的基因編輯系統(tǒng) 9。研究人員稱(chēng)他們可以用NgAgo蛋白在特定的位點(diǎn)切斷DNA序列而不需要引導(dǎo)RNA， 也不需要附近有特定的基因序列，相反的，這種來(lái)源于細(xì)菌的蛋白質(zhì)是通過(guò)一小段DNA

6、序 列匹配到目標(biāo)區(qū)域的。這一發(fā)現(xiàn)在研究領(lǐng)域炸開(kāi)了鍋，業(yè)內(nèi)紛紛猜測(cè)CRISPR-Cas9可能 要被取代了，但目前還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室能重復(fù)出這一結(jié)果。即便如此，仍有希望從NgAgo蛋白 所屬家族的其他蛋白上找到前進(jìn)之路。5、重組酶其他的編輯系統(tǒng)也在研究中，雖然其中有一部分已經(jīng)徘徊了多年。為了能夠廣泛的編輯細(xì)菌 基因Church的實(shí)驗(yàn)室并沒(méi)有采用CRISPR系統(tǒng)而是使用一種叫做lambda Red的系統(tǒng)， 也是不需要引導(dǎo)RNA就可以改變DNA序列。Church的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研究了 lambda Red13 年，目前它只能用于細(xì)菌DNA編輯。Church和MIT的張峰教授都表示，他們的實(shí)驗(yàn)室在 研究整合酶和重

7、組酶用于基因編輯。張教授說(shuō)“通過(guò)擴(kuò)展酶的多樣性，我們能得到更多強(qiáng)有 力的工具，我們必須去探索未知的世界。”以上就是目前基因編輯工具研究的主要方向。主流技術(shù)的局限性會(huì)催生對(duì)其他可能性的探索， 我們也期待科學(xué)家們能夠探索出更加高效的基因編輯技術(shù)。8月8日，韓春雨教授在nature 上發(fā)布了他的實(shí)驗(yàn)詳細(xì)步驟，希望這對(duì)于各位研究人員重復(fù)實(shí)驗(yàn)?zāi)苡袔椭?，也期望盡快看到 正面的結(jié)果。原文Beyond CRISPR: A guide to the many other ways to edit a genome. Nature 536, 136-137(11 August 2016) doi:10.1038/

8、536136b參考文獻(xiàn)Ran, F. A. et al. Nature 520, 186-191 (2015).Nelson, C. E. et al. Science 351,403-407 (2016).Tabebordbar, M. et al. Science 351,407-411 (2016).Kim, D. et al. Nature Biotechnol. HYPERLINK /10.1038/nbt.3609 /10.1038/nbt.3609 (2016).Kleinstiver, B. P. et al. Nature Biotechnol. HYPERLINK /10.1038/nbt.3620 /10.1038/nbt.3620 (2016).Abudayyeh, O. O. et al. Science 353, aaf5573 (2016).Komor, A. C., Kim, Y. B., Packer, M. S., Zuris, J. A. & Liu, D. R. Nature 533, 420 -424 (2016).Nishida, K.