三篇Science文章:利用CRISPR治療遺傳疾病

【字體: 時間:2016年01月04日 來源:生物通

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  在2015年12月31日的《科學》(Science)上,三個獨立研究小組提供了初步的研究證據表明,通過編輯一個與肌肉功能相關的基因,修復杜氏肌營養不良癥小鼠的一些肌肉功能,可以治愈這一遺傳性疾病。這標志著第一次在完全發育的活體哺乳動物中CRISPR采用一種有潛力轉化為人類療法的策略,成功治療了一種遺傳疾病。

  

生物通報道  在2015年12月31日的《科學》(Science)上,三個獨立研究小組提供了初步的研究證據表明,通過編輯一個與肌肉功能相關的基因,修復杜氏肌營養不良癥小鼠的一些肌肉功能,可以治愈這一遺傳性疾病。這標志著第一次在完全發育的活體哺乳動物中CRISPR采用一種有潛力轉化為人類療法的策略,成功治療了一種遺傳疾病。

杜氏肌營養不良癥是由于機體生成dystrophin蛋白的能力出現問題而產生。Dystrophin是一條長蛋白質鏈,將肌纖維內部與其周圍的支持結構綁定在一起。Dystrophin由一個包含79個外顯子的基因所編碼。如果有任何一個外顯子發生破壞性突變,這一蛋白質鏈就無法構建起來。

沒有dystrophin提供支持,肌肉往往會分解并慢慢退化。在每5,000名新生男嬰中就有一人受累于杜氏肌營養不良癥。大多數患者到10歲需要坐輪椅,他們在20多歲30出頭就會死去。由于突變位于X染色體上,因此有兩條X染色體的女童應該至少有一個功能性dystrophin基因拷貝。

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來自杜克大學的研究人員過去曾利用CRISPR在來自杜氏肌營養不良癥患者的培養細胞中糾正了遺傳突變,其他實驗室也在實驗室環境中糾正了單細胞胚胎中的基因。但后者的方法當前被視為是不道德的,前者則在將處理細胞傳送回肌肉組織方面面對許多的障礙。

另一種方法是通過一些基因治療技術將CRISPR直接導入受累組織中,也面臨著一些挑戰,尤其是在傳送方面。在第一項新研究中,杜克大學的研究人員通過采用一種非致病性載體——腺相關病毒(AAV)來傳送這一基因編輯系統克服了其中的一些障礙。

Christopher Nelson等人將基因編輯工具包裝到了AAV中。利用病毒來作為基因治療的傳送載體,研究人員會從病毒中除去所有有害的基因和復制基因。盡管早期的一些病毒類型因為各種原因,諸如整合到基因組中及引起一些問題或觸發免疫應答,不能很好地起作用,AAV是迄今為止已證實特殊的一類病毒。許多人都受到這一病毒的感染,AAV不致病,卻能夠非常有效地進入到細胞中。

在美國AAV正用于許多晚期臨床試驗中,并被歐盟批準用于一種基因治療藥物中。由于存在不同版本的AAV傾向進入不同的組織,例如骨骼肌和心肌,因此研究人員可以全身遞送它們。但總是會存在某個問題,對于杜克大學生物醫學工程學副教授C.A. Gersbach而言是大小的問題。

Gersbach說:“AAV是一種真正的小病毒,而CRISPR相對較大。它根本不合適,因此我們仍然有個包裝問題。”


解決方案來自麻省理工學院和哈佛大學Broad研究所的研究員張鋒(Feng Zhang)。今年早些時候,張鋒描述了來自一種不同細菌的CRISPR系統。在自然細菌免疫系統中,CRISPR發揮照片作用幫助鑒別靶DNA,Cas9是切割DNA鏈的那把刀。研究人員通常采用的大Cas9蛋白來自化膿性鏈球菌。在搜索了細菌王國后,張鋒發現了小得多的金黃色葡萄球菌Cas9蛋白(延伸閱讀:張鋒Nature重大突破:用新型高效Cas9實現基因組編輯 )。

在這項研究中研究人員采用dystrophin基因一個外顯子存在破壞性突變的小鼠模型開展了研究。他們重編程新CRISPR/Cas9系統剪掉了功能異常的外顯子,機體的自然修復系統將基因的剩余部分連接在一起生成了縮短但具有功能的基因版本。

相比用功能基因拷貝替換功能失常的外顯子更簡單、更有效,僅除去薄弱環節將是在更大的患者群體中有效發揮作用的一種策略。

研究人員首先將治療系統直接傳送到成年小鼠的腿部肌肉中刪除了23號外顯子,恢復了功能性dystrophin并提高了肌力。他們隨后將CRISPR/AAV8組合注入到了小鼠血液中以達到所有肌肉處。結果顯示同樣糾正了全身的肌肉,包括心肌——這是一個重大的勝利,因為心力衰竭往往是杜氏肌營養不良癥患者死亡的原因。

在第二項研究中,德克薩斯大學西南醫學中心的Chengzu Long和同事們利用了對肌肉具有高親和力的AAV9,將CRISPR-Cas9編輯元件傳送了同樣的杜氏肌營養不良癥小鼠模型中。他們首先確定了他們的基因編輯策略在小鼠卵子和精子細胞中起作用,發現它非常高效:在生殖細胞改造后80%的小鼠寶寶都顯示缺失23號外顯子,轉而提供了這些動物中的dystrophin蛋白表達。

研究人員隨后他們的策略應用于與臨床更相關的體細胞基因編輯。在小鼠出生幾天后,他們通過腹部、肌肉或眼睛后部注射,利用AAV9將這一編輯系統傳送到了小鼠體內。盡管每種方法都具有其獨特的益處并改善了肌肉功能,他們發現當直接進行肌肉注射時,dystrophin蛋白質水平最高。

在第三項研究中,哈佛大學的Mohammadsharif Tabebordbar等人,也利用CRISPR 和 AAV9編輯刪除了23號外顯子,發現相似地有益修復了肌肉功能。利用熒光標記物,研究小組分析了基因編輯系統對定位遠離注射位點的衛星細胞的影響。他們發現,一些衛星肌管(肌細胞的“年輕階段)已恢復表達dystrophin。因此作者們提出AAV-CRISPR或許能夠在體內提供持續的遺傳修復。

(生物通:何嬙)

生物通推薦原文索引:

"In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy," Science

"Postnatal Genome Editing Partially Restores Dystrophin Expression in a Mouse Model of Muscular Dystrophy," Science

"In vivo gene editing in dystrophic mouse muscle and muscle stem cells," Science

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