基因编辑技术新突破!科学家可以一次编辑多个基因组片段

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基因编辑技术新突破!科学家可以一次编辑多个基因组片段
麻省理工科技评论 2020-03-21

2020-03-21

所有技术都是一把双刃剑,基因编辑也同样如此
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所有技术都是一把双刃剑,基因编辑也同样如此

有人说,基因编辑就像一个 “潘多拉魔盒”,一旦打开,就很难合上了。事实证明,所有技术都是一把双刃剑,基因编辑也同样如此。它既能带给我们难以预料的风险和伦理道德问题,也能帮助我们更好地认识人类本身。而且,对于疾病产生的原因以及抑制疾病的方法,基因编辑起着不可替代的作用。基因编辑研究的进展,一直是人们关注的重点。

3 月 16 日,《自然生物科技》(Nature Biotechnology)杂志在线发表了一项新研究,来自多伦多大学泰伦斯 · 唐纳利细胞及生物分子研究中心的科学家通过使用一种名为 “CHyMErA” 的基因编辑方法,可以同时编辑基因组中的多个位点。

这一技术突破,有望帮助科研人员深入理解不同 DNA 片段如何在健康和疾病中协同作用。

基因编辑技术新突破!科学家可以一次编辑多个基因组片段

基于 CRISPR 的基因编辑技术彻底改变了人类基因组的研究,它使得科研人员可以通过精确敲除人体内的任何基因来获取对相关基因所具有功能的认知,但这类方法依然具有一些不足之处。比如,不能同时切除同一细胞中的多个基因或基因片段,这种类型的基因组手术是科学家了解基因组不同部分在正常生理和疾病情况下如何协同工作的关键。

日前,来自多伦多大学泰伦斯 · 唐纳利细胞及生物分子研究中心的分子遗传学教授 Benjamin Blencowe 和 Jason Moffat 分别领导的两支团队,共同提出了一种名为 “CHyMErA”(Cas Hybrid for Multiplexed Editing and Screening Applications)的基因编辑新方法。研究人员表示,这一方法可以同时对多个位置的 DNA 进行编辑,并应用于任何类型的哺乳动物细胞内。

Benjamin Blencowe 团队专注于外显子(exons)基因片段的调节和功能研究,Jason Moffat 团队则在 CRISPR 技术方面具有丰富的经验。

基因编辑技术新突破!科学家可以一次编辑多个基因组片段

图 | CHyMErA 允许科研人员一次同时编辑多个基因(来源:Ernesto del Aguila III,美国国家人类基因组研究所,美国国立卫生研究院)

CRISPR 通常被描述为基因剪刀,其工作原理是通过引导 RNA 分子将 DNA 限制酶瞄准到基因组中的目标位置,使之可以附着在目标位置上。Cas9 是使用最为广泛的 DNA 限制酶。自从 Cas9 首次曝光以来,科学家们已经发现了其他具有独特性质的 Cas 酶,并将其用于改进和扩大这项技术的应用。

与 CRISPR-Cas9 技术不同,新基因编辑技术 CHyMErA 通过结合使用 Cas9 和 Cas12a 这两种不同的 DNA 限制酶,拓宽了基因编辑的可选目标范围。Cas12a 是一种酶,可以用于在同一细胞中生成多个引导 RNA 分子,这是同时进行多个 DNA 编辑的关键因素。

“我们已经尝试了许多方法来诱导基因片段敲除,但没有任何方法像 CHyMErA 一样有效。” Benjamin Blencowe 团队的研究助理 Thomas Gonatopoulos-Pournatzis 表示。

Michael Aregger 是 Moffat 实验室的研究助理,他在 CHyMErA 的基因筛选工作上发挥了关键作用。他表示,“有了 CHyMErA,你可以充分利用这两种酶。Cas9 已经被科研人员多次改进,具有了非常高的编辑效率,而 Cas12a 允许引导 RNA 的多路复用(multiplexing)。因此,我们在寻找可以敲除的基因组位点方面,具有了更多的灵活性。”

研究人员表示,下一步是利用 CHyMErA 对人类基因进行大规模筛选,系统分析不同基因如何共同作用以及基因内各个部分的功能。

解码旁系同源基因

在 CHyMErA 的一个应用中,研究人员瞄准了被称为旁系同源(paralogs)基因的一对基因,这些基因具有相似的 DNA 编码,但由于难以研究,目前科研人员对其并没有太多的认知。由于 paralogs 基因由祖先基因(ancestral gene)复制产生,人们认为它们在很大程度上具有相似的作用。但它们的功能无法被现有的单基因靶向方法揭示,一个主要原因是另一个 paralog 可以弥补缺失基因的作用。

“有了 CHyMErA,我们可以把两个 paralog 成对取出,看看这个基因功能对细胞生存的影响,” Moffat 实验室的高级研究助理 Kevin Brown 说,“我们现在可以研究以前被遗漏的一类基因。”

在敲除了人类基因组中大约 700 个 paralog 对之后,研究人员表示,这项分析证实了其中的很多基因对确实在细胞生存过程中发挥了类似的作用,但一些其他的基因对则具有不同的功能。

探究外显子

CHyMErA 的另一个应用是,可以通过将 Cas9 和 Cas12a 部署到附近的基因组位点来敲除外显子等基因片段。这使得研究团队可以单独切除数千个与癌症和大脑功能有关的外显子,在此之前,无法只用 Cas9 实现。

外显子被包含在基因的转录本中,尽管单个外显子对细胞过程的影响在很大程度上依然是未知的,但研究证明,外显子可以改变被编码蛋白质的功能。在 CHyMErA 分析的 2000 个外显子中,发现超过 100 个对细胞生存至关重要,这就使得科研人员在未来的研究中可以专注于揭示它们在疾病中的潜在作用。

“一旦我们确定外显子在疾病中所起的关键作用,我们就可以利用这些信息来开发新的治疗方法。” Gonatopoulos-Pournatzis 说。

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