说起基因编辑技术,目前最火的就是CRISPR/Cas9系统了,从科研工具到癌症治疗,它的应用几乎可以涵盖生命科学的各个领域,不过它的应用主要是在分裂细胞中。最近,发表在《自然》期刊上的一篇文章阐述了Salk研究所(Salk Institute)研发的一种利用CRISPR/Cas9系统的创新型基因编辑技术,可以高效地对不分裂细胞进行基因编辑,为基因缺陷疾病治疗打开了一扇全新的大门。
位点特异性的基因整合一般是通过同源定向修复途径(homology-directed repair, HDR),不过它在不分裂细胞中并不适用。在不分裂的细胞中(特别是哺乳动物),另一种双联断裂修复机制——非同源末端连接途径(non-homologous end joining, NHEJ)——更加活跃。为了对不分裂细胞进行基因编辑,Salk团队决定从NHEJ途径开始入手。
▲HDR和NHEJ机制(图片来源:Nature Biotechnology)
首先,Salk团队利用CRISPR/Cas9系统对NHEJ机制进行优化,使DNA可以精确地插入到基因组的目标位置。研究者们创建了一个由核酸混合物组成的插入包,命名为“不依赖同源性的靶向整合”(homology-independent targeted integration, HITI)。然后,他们用失活的病毒将含有遗传指令的HITI插入包递送到由人胚胎干细胞分化来的神经元中,插入的基因成功地在神经元细胞中表达。接下来他们将同样的HITI插入包递送到成年小鼠大脑的视觉皮层,目标基因也成功地表达了。
初步实验的成功让他们决定尝试基因替换治疗,测试这一技术是否可以在患了基因缺陷病——Mertk基因缺陷的视网膜色素变性——而导致失明的小鼠模型中起作用。这一次,他们将含有正常Mertk基因的HITI插件包递送至3个礼拜大的小鼠眼睛中,在小鼠长到7-8个礼拜的时候,分析显示患病小鼠对光线有反应,并且一系列的测试显示小鼠的视力得到部分恢复。
这一阶段性的成果让整个研究小组都很兴奋,这说明将这一技术用于动物的基因缺陷修复是非常有希望的。
Salk团队的下一步计划是如何提高HITI插入包的递送效率。HITI技术的优势在于它几乎适合所有的靶向基因工程系统,所以随着这些系统的安全性和效率不断提高,HITI插入包的应用也会越来越广。
▲Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授(图片来源:Salk官网)
“我们现在可以利用这一技术对不分裂细胞进行基因编辑,来修复大脑、心脏和肝脏地基因缺陷基因。它让我们第一次有能力去想象治疗我们曾经无法治疗的疾病,”文章通讯作者、Salk研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte教授说:“我们对这一技术的发现非常兴奋,因为这是前所未有的。这是第一次我们可以对不分裂的细胞进行基因编辑,这项发现的应用将不可限量。
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