Science：新技术实现精确基因组编辑
生物探索,2013/01/04
导读:麻省理工学院等机构的科学家开发了一种新的技术，利用该技术可以实现对活细胞基因组的编辑。相比传统的基因组编辑技术，这一新技术定位准确，易于操作且花费便宜，同时在疾病新疗法开发中具有潜在的应用价值。
麻省理工学院、布洛德研究所以及洛克菲勒大学的研究者开发出了一种新颖的技术，可以通过添加或去除基因来对活细胞的基因组进行修改。研究者表示，这种技术易于操作且成本低，可以用于对产生物燃料的生物将进行基因工程操作，设计用于人类疾病研究的动物模型，开发新的疾病疗法，以及其他的潜在应用。
为了建立他们的基因组编辑技术，研究者们对细菌通常用来抵御病毒侵入的一系列蛋白质进行了修改。利用这套系统，科学家们可以对基因组上的多个位点进行同时修改，并实现对新基因插入位点的更好的控制。领导这项研究的是MIT的大脑与认知科学助理教授Feng Zhang。
他表示：“所有需要对生物体进行基因工程操作以插入新基因，或修改基因组的操作都能受益于这个系统。”
这项新的研究成果于1月3号在线发表在Science杂志。
早期工作
在1980年代，科学家通过在小鼠胚胎细胞中添加一小段DNA而成功建立了第一个遗传改造的小鼠。这一技术目前广泛用于建立人类疾病研究用的转基因小鼠。但是，由于这一技术是将DNA随机插入在基因组中，因而不能实现对已有基因的替换。
近年来，科学家一直在尝试寻找更加精准的基因组编辑技术。其中一种技术就是同源重组：将一小段包含感兴趣基因的DNA片段注入细胞中，基因两侧的序列与基因组中目标基因两侧序列是互相匹配的。但是这种技术的成功率非常低，因为在正常细胞中很少发生自然的重组过程。
不久前，生物学家发现，通过添加可剪切DNA的核酸酶可以提高这一过程的效率。锌指通常用于把这些核酸酶递送至特定位置，但是由于锌指不能匹配所有可能的DNA序列，因而其作用也有所限制。此外，对这些蛋白质进行装配也比较昂贵且费力。
转录激活因子样效应物核酸酶（transcription activator-like effector nucleases，TALEN）也能够对基因组中的特定位置进行剪切，但是这些复合物也价格昂贵且不易组装。
准确定位
Feng Zhang表示，他们研发的新系统非常易于操作。利用自然产生的、可对病毒DNA进行识别剪切的细菌蛋白-RNA系统，研究者建立了DNA编辑复合体，其中包含一个可结合至短RNA序列的核酸酶Cas9。这些短RNA序列可以与基因组中的特定位置进行结合，当遇到匹配序列时，Cas9即对DNA进行剪切。
这种技术还可用于破坏基因的功能或对基因进行替换。要实现基因替换，研究者还必须添加一个新基因的DNA模板，从而在DNA被剪切后在基因组中拷贝入新的基因。
这套系统中的每一个RNA片段都能靶定特定的序列。“这正是这种技术的美妙之处——你可以轻易编码一个核酸酶对基因组中的一个或更多的位点进行靶定。” Feng Zhang说。
这种技术也非常精确——即使在RNA与基因组序列中存在一个碱基的差异，Cas9也不会被激活。这是锌指或TALEN技术所不具备的。这种新的系统在效率与价格上也比TALEN更具优势。
威斯康星州医学院助理教授Aron Geurts评论这个新系统时，称其“是基因组编辑领域的一个重大进步，甫一亮相即表现出对锌指核酸酶及TALEN的优势。在模式系统中，对与人类健康及疾病相关的不断增加的遗传变异数据进行解析正需要这类精确的可扩展式基因组编辑。”
研究人员将这一技术免费提供给其他的研究者使用，并建立了专门的网站教授使用这一新技术的技巧与工具。（网站地址：www.genome-engineering.org）
设计新疗法
除了上述的基因组编辑功能，这一系统还有其他潜在的应用，例如可以用来设计某些疾病的新疗法，如亨廷顿氏症。亨廷顿氏症是一种单基因疾病，目前临床试验利用锌指核酸酶来失活相关基因。这一新的技术则可以提供更加有效的选择。
这一系统在治疗艾滋病中也将大有用处：利用该系统移除患者的淋巴细胞，并对CCR5受体实施变异（CCR5受体是HIV进入细胞的途径）。将这些细胞重新植回患者后，这些细胞将具抗感染能力。
通过诱导人类干细胞发生特定突变，这一技术也简化了人类疾病研究。“利用这一基因组编辑系统，你可以非常系统化地引入单个突变，并将干细胞分化为神经细胞或心肌细胞，从而研究这些突变如何改变细胞的生物学特征。” Feng Zhang说。
在这项研究中，研究者们还只是在实验室培养的细胞中对该系统进行了试验，他们计划将这一新技术应用于大脑功能及疾病中。
