Nature重大突破：首次！新CRISPR可任意「編輯」非分裂細胞

生物探索

編者按

「魔剪」CRISPR在科研圈似乎一直沒有「安靜」過。這幾日，你是不是又被Nature報道的「中國進行全球首個CRISPR技術人體應用，治療肺癌」的消息刷屏了？11月16日，Nature又放出了CRISPR的一個「大消息」。科學家們首次證實，CRIPSR技術能夠將DNA插入到非分裂細胞（non-dividing cells）的靶向位置。這究竟有何意義呢？

From left: Jun Wu, Reyna Hernandez-Benitez, Keiichiro Suzuki and Juan Carlos Izpisua Belmonte

11 月16日，發表在Nature上的一項研究中（題目：In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration），Salk研究所的科學家們發現基因編輯神器CRISPR的又一「魔力」。研究人員首次證實，基於CRIPSR的技術能夠將DNA插入到非分裂細胞（non-dividing cells）的靶向位置。此外，研究還證實，這一技術能夠部分恢復盲鼠的視覺反應。

論文的通訊作者Juan Carlos Izpisua Belmonte教授說：「我們感到非常興奮，因為這是之前不能做到的事情。我們首次進入了不能分裂的細胞中，且能任意修改DNA。這一發現可能的應用價值是非常巨大的。」

迄今為止，括CRISPR-Cas9系統在內的DNA編輯技術一直在分裂細胞中最有效，如皮膚或腸道中的細胞。Salk研究所發明的這一新技術（簡稱Salk技術）插入新DNA到分裂細胞中的有效率是其它技術的10倍。這將使這一新技術成為研究和醫學領域非常有前景的工具。但更重要的是，Salk技術首次使科學家們成功將新基因插入到了不再分裂的成熟細胞的精準DNA位置。這些不再分裂的細胞包括眼睛、大腦、胰腺或心臟細胞等。這項突破為這些細胞的治療應用提供了新的可能。

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如何實現的？

為了獲得這一結果，科學家們靶向了稱為非同源性末端接合（non-homologous end-joining，NHEJ）的DNA修復細胞通路。這一通路的作用是修復常規的DNA斷裂。他們將這一過程與已有的基因編輯技術CRISPR相結合，成功地將新的DNA插入到了非分裂細胞的精準位置。

論文的共同第一作者Keiichiro Suzuki說：「利用這一NHEJ通路插入新的DNA是基因組編輯領域一項革命性的成果。先前沒有人這樣做過。」

具體來說，首先，研究小組著手優化NHEJ機制，以便與CRISPR-Cas9系統一起使用。他們創建了一個由核酸雞尾酒組成的定製插入包（insertion package），並稱其為同源非依賴性靶向插入（homology-independent targeted integration，HITI）。隨後，他們利用一種惰性病毒呈遞HITI的遺傳指令包到神經元中。

論文的共同第一作者Jun Wu說：「這是HITI可能在非分裂細胞中發揮作用的首個跡象。」緊接著，研究小組又成功呈遞了這一結構到成年小鼠的大腦中。

Pictured is a part of the adult mouse brain. Cell nuclei are blue and genome-edited neurons are green.

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能否發揮治療作用？

最後，為了探索HITI用於基因替代療法的可能性，研究小組在色素性視網膜炎大鼠模型中測試了這一技術。這是一種遺傳性視網膜退化疾病，能夠導致人類失明。科學家們利用HITI將Mertk基因的功能性拷貝遞送到3周齡大鼠的眼睛中。Mertk基因是患色素性視網膜炎時損傷的基因之一。

研究人員在大鼠8周齡時開始分析這一基因編輯過程的作用。結果發現，實驗動物能夠對光作出響應。通過一些測試表明，大鼠的視網膜細胞正在痊癒。

該研究的共同第一作者Reyna Hernandez-Benitez說：「結果證實，我們能夠改善這些盲鼠的視力。這些初期的成果表明了這一技術的前景。」

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前景&計劃

Izpisua Belmonte說：「現在，我們擁有了能夠修改非分裂細胞中DNA的技術，使得我們能夠修復大腦、心臟和肝臟中『壞掉』的基因。這或許能夠幫助治癒一些我們從前束手無策的疾病。」

研究小組的下一步計劃是改善HITI的呈遞效率。HITI技術的「魅力」所在是，它不只是適用於CRISPR-Cas9，而是適用於任何靶向基因組工程系統。因此，隨著這些系統安全性和有效性的提高，HITI的效果也會隨之改變。

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編輯圈點

小編關注「魔剪」相關的研究已有兩年之久。這期間見證了大量讓人興奮的成果。除了這一研究，上周同樣發表在Nature上的一項研究中，斯坦福大學的研究團隊利用CRISPR技術，在人體幹細胞中成功修復了造成鐮狀細胞貧血病的基因，向治療遺傳疾病又邁了一步。

此外，近幾日刷屏的報道稱，上個月，華西醫院基於CIRSPR技術治療肺癌的臨床試驗已正式啟動。10月28日，首名患者接受了這些經CRISPR技術改造的T細胞的治療。研究負責人盧鈾教授在接受Nature採訪時表示，這次治療進展得很順利，患者即將接受第二次注射。接下來，參與試驗的患者將受到密切的監護。我們期待CRISPR技術能夠真正用於治療人類疾病。

參考資料：

New gene-editing technology partially restores vision in blind animals

Salk researchers have discovered, for the first time, how to place DNA in specific locations in non-dividing cells

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