基因编辑工具 CRISPR 的十大神奇用途

来源:网易科技 / 作者: / 2017-07-17
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仅在过去一年里,几十位世界各地的研究人员就发布科学论文详细阐述自己的研究结果,他们利用 CRISPR 剪断和取代不需要的 DNA 来开发治疗癌症、HIV、失明、慢性疼痛、肌肉萎缩症和亨廷顿症等疾病的疗法。加州 Caribou Biosciences 公司(专为医疗、农业以及生物研究领域开发基于 CRISPR 解决方案)技术发展负责人、CRISPR 专家萨姆·斯特恩伯格(Sam Sternberg)表示:“在 CRISPR 的支持下,基础研究的步伐已经呈现井喷式发展。”斯特恩伯格称,虽然基于 CRISPR 的治疗方案还需要数年时间才能在人体上进行测试的人,但几乎每天都有无数出版物介绍利用这种新工具在人类健康和人类遗传学方面的新发现。当然,人类并不是唯一拥有基因组的物种。CRISPR 也被应用在动物和植物身上,从帮助抑制导致疟疾、莱姆病寄生虫到提高马铃薯、柑橘以及西红柿等作物产量等。美国 Cold Spring Harbor Laboratory 下属 Sheltzer Lab 首席研究员、分子生物学家杰森·谢尔泽(Jason Sheltzer)认为:“CRISPR 非常强大,正为大多数实验室的日常工作带来革命性变化。”谢尔泽及其团队正在使用 CRISPR 了解染色体的生物学机制,以及这些基因错误与癌症之间的可能关系。纽约基因组中心和纽约大学生物学助理教授内维尔·桑贾纳(Neville Sanjana)称:“我非常希望在接下来的十年中,基因编辑能从最初的研究工具转变为能够在诊所中使用的新疗法。”。下面就让我们来看看 CRISPR 在对抗十大疾病中的神奇作用。

癌症

就像许多疾病那样,癌症是人们基因突变的结果。研究人员认为,基于 CRISPR 的疗法将来有可能减缓肿瘤扩散的速度,甚至能够完全治愈癌症。在这个领域,中国已经取得了初步进展。2016 年 10 月份,中国一位肺癌患者成为世界上首个接受细胞注射的人,这些细胞利用被利用 CRISPR 修改过。由成都四川大学肿瘤学家卢博士(Lu You)领导的研究人员,修改了从病人自身血液中提取的免疫细胞,并禁用了可产生某种特定蛋白质的基因,这种蛋白可帮助癌细胞劫持正常细胞进行分裂繁殖。研究人员认为,如果没有这种蛋白质,癌细胞呼吁不会繁殖,免疫系统也会胜出。美国的研究团队也在使用 CRISPR 对抗癌症。宾夕法尼亚大学旗下 Abramson 癌症中心的转化研究主任卡尔博士(Carl June)与同事们于 2016 年 6 月获得国立卫生研究院的批准,对 18 名晚期黑素瘤、肉瘤以及多发性骨髓瘤患者进行临床试验。研究人员将使用 CRISPR 改变患者自身免疫系统细胞的三个基因,希望这些细胞能消灭体内的癌细胞。

艾滋病

消灭艾滋病(HIV)病毒是一场艰难的战斗。这种病毒不仅会感染人体内的免疫细胞,还会感染病毒,但最令其臭名昭著的却是善于突变。在艾滋病毒劫持体内细胞并开始复制时,它本身会产生大量的遗传变异,这有助于它逃避药物治疗。世界卫生组织称,在治疗艾滋病感染者方面,这种耐药性正引发巨大问题。CRISPR 已经将艾滋病列入视线。2017 年 5 月份,天普大学和匹兹堡大学的研究人员使用 CRISPR 把病毒从感染的细胞上剪断,关闭了病毒复制的能力。蒙特利尔的麦克吉尔大学病毒学家 Chen Liang 表示,这项技术在三种不同的动物身上进行了试验,这是研究人员第一次发现能够消除 HIV 感染细胞的方法。

亨廷顿病

在美国大约有 30000 人患有遗传性亨廷顿病,这是一种致命的遗传性疾病,会导致大脑神经随着时间推移而恶化。症状包括性格改变、情绪波动、步态不稳以及口齿不清等。这种疾病是基因缺陷所致,这种基因会变得比正常基因更大,并产生名为亨廷顿的异常蛋白质,随后它会分裂更小的有毒碎片,在神经元中积聚,并破坏它们的功能。但在 2017 年 6 月,科学家报道称,他们在针对小鼠的实验中扭转了这种疾病。在试验中,科学家修改了小鼠身上的亨廷顿基因。亚特兰大埃默里大学人类遗传学系的博士后研究员苏阳(Su Yang)与中国科学院遗传与发育生物研究所的任宝昌(Renbao Chang),采用 CRISPR 剪断了亨廷顿基因中产生有毒突变的部分,发现小鼠大脑中有毒碎片数量减少,神经元开始愈合。受感染的老鼠恢复了部分运动控制、平衡以及抓握能力。虽然与健康小鼠相比,它们在执行某些任务时的表现不算好,但结果表明 CRISPR 可有助于应付这种情况。科学家们强调,在进行这种治疗之前,需要进行更多更严格的研究。

Duchenne 型肌营养不良症

Duchenne 型肌营养不良症是一种使人虚弱的疾病,是体内名为抗肌萎缩蛋白基因发生突变所致,它也是人体内最长的基因之一。美国得克萨斯大学西南医学中心分子生物学教授埃里克·奥尔森(Eric Olson)领导的研究团队,正在研究利用 CRISPR 对抗 Duchenne 型肌营养不良症的方法。由于肌营养不良蛋白基因发生突变,身体不能形成功能性的肌营养不良蛋白,而后者却是肌肉纤维健康所必需的。随着时间推移,缺乏这种蛋白质导致渐进性肌肉退化和虚弱。2017 年 4 月份,奥尔森及其团队利用改进版 CRISPR 工具 CRISPR-Cpf1,纠正了导致 Duchenne 型肌营养不良症的突变。他们将这种基因固定在实验室培养皿中的人体细胞和携带缺陷基因的小鼠身上。CRISPR-Cpf1 是基因编辑工具箱中的另一个工具,不同于常用的 CRISPR-Cas9。它的体积更小,从而使它更容易传递到肌肉细胞中。它还能够识别不同于 CRISPR-Cas9 的 DNA 序列,这在编辑很长的抗萎缩蛋白基因时非常方便。

预防失明

儿童致盲最常见的原因之一就是名做莱伯先天性黑朦(Leber congenital amaurosis),每 10 万名新生儿中大约有 2 -3% 受到影响。这种状态是遗传的,是由至少 14 个基因突变引起的,这些基因负责正常视力。位于马萨诸塞州的生物科技公司 Editas 正在研究一种基于 Editas CRISPR 的治疗方案,可以帮助治疗被称为莱伯先天性黑朦 10 型疾病。该公司希望能在 2017 年底之前向食品药品管理局提交必要的文件,以便开始首次在人体上进行临床试验。Editas 是由麻省理工学院生物工程学教授张峰(Feng Zhang,证明 CRISPR-Cas9 可以用于人类细胞)、加州大学伯克利分校詹妮弗·道德纳(Jennifer Doudna)以及维也纳大学的以马利·夏邦杰(Emmanuelle Charpentier,证明 CRISPR-Cas9 可以剪断 DNA)共同创办的,他们于 2012 年申请了技术专利。麻省理工学院下属 Broad Institute 于 2014 年 4 月提交了专利,并进行了快速追踪,最终获得了该专利。

慢性疼痛

慢性疼痛是不是一种遗传疾病,但科学家们正尝试利用 CRISPR 改变基因来减少炎症的方法,帮助遏制背部和关节疼痛。在正常情况下,发炎是机体告诉免疫系统修复组织的方式。但是慢性炎症会起到相反作用,破坏组织,最终导致虚弱和疼痛。2017 年 3 月,犹他大学生物工程助理教授罗比·鲍尔斯(Robby Bowles)领导的团队报告说,他们已经使用 CRISPR 阻止某些特定细胞制造出能够分解组织并导致发炎疼痛的分子。这种技术可以用来延缓背部手术后组织的退化,它可以加快愈合,减少需要额外手术来矫正的组织损伤。

莱姆病

麻省理工学院的进化生物学家凯文·艾斯维尔特(Kevin Esvelt)希望消灭莱姆病,这是由蜱传播的细菌,可以通过鹿蜱叮咬传播到人体上。如果不及时治疗,这种感染可导致关节发炎、神经痛、心悸、面瘫或其他问题。虽然引起莱姆病的细菌是由鹿蜱传播给人类的,但当它们从卵中孵化出来时,蜱类本身并没有携带细菌。相反,幼蜱进食时会被细菌传染,细菌通常寄居在白足鼠身上。艾斯维尔特想利用 CRISPR-Cas9 对白足鼠基因进行修复,使它们及其后代减少疾病,并对这种细菌免疫,同时无法将其传给蜱类。2016 年 6 月,艾斯维尔特向马萨诸塞州楠塔基特和玛莎葡萄园岛上的居民提出了自己的解决方案,那里深受莱姆病困扰。然而,在进行进一步测试之前,这些老鼠不会在岛上被释放,这可能需要数年时间。

疟疾

每年有成千上万的人死于疟疾。2015 年,世界卫生组织称大约有 2.12 亿例疟疾病例。其中死亡约 42.9 万人。为了从源头上解决这个问题,帝国理工学院的研究小组正致力于减少传播疟疾的蚊子数量。由奥斯汀·布尔特(Austin Burt)和安德里亚·克里桑迪(Andrea Crisanti)教授领导的科学家团队正进行两个方面的研究:基因改造雄蚊以使它们产生更多雄性后代,基因改造雌蚊以降低它们的生育能力。2015 年 12 月份,研究小组在《自然》杂志上报告说,他们已经确定了三个可以降低雌蚊生育力的基因。他们还宣布,CRISPR 至少能对 1 种基因进行改造。

作物

正如 CRISPR 可以被用来改变人类和动物的基因组那样,它也可以用来改变植物的基因组。科学家们正在研究如何利用工具的基因编辑能力,减少某些作物的患病率,并使其更健壮的成长。英国诺维奇塞恩斯伯里实验室的索菲·卡蒙(Sophien Kamoun)教授正寻找方法,以便加强土豆和小麦的抗病基因。纽约冷泉港实验室的遗传学家扎加利·利普曼(Zachary Lippman)也在利用 CRISPR,帮助优化番茄植株的枝丫以应对成熟西红柿的重量。在美国加州,几个实验室正在尝试利用 CRISPR 解决被称为柑橘绿化的植物病害,它是由在柑橘林中飞行的昆虫传播的细菌引起的。

编辑人类胚胎

基于 CRISPR 的研究从假设到得出结果的研发速度令人感到震惊,以前需要几个月的实验现在只需要几周就可完成。然而,这种速度也引起了政策制定者和利益相关者的关注,尤其是在将这种技术应用于人类身上的时候。2017 年 2 月,美国国家科学、工程和医学科学院的科学家发表了一份人类基因编辑评估报告,宣称编辑人类基因是可以接受的,只是需要被限定在特定范围内。该组织还说,改变胚胎、卵子和精子中的细胞在伦理上是允许的,前提是这样做是为了纠正疾病或残疾,而不是为了增强外貌或能力。2017 年 3 月份,中国广州医科大学的医学团队在《分子遗传学和基因组学》杂志上发表论文,利用 CRISPR-Cas9 对人类晶胚进行改造。科学家们已经在使用 CRISPR-Cas9,利用其编辑人类胚胎中引发疾病的突变。这些研究是为了证明基因编辑可以在胚胎阶段完成,这些胚胎不会被植入人体。

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