《科學》：重大突破！CRISPR/Cas9系統首次在大型動物體內實現大規模基因編輯，阻止或治療遺傳病在望｜科學大發現

今天，來自美國德克薩斯大學的Eric N. Olson團隊在《科學》雜誌上發表重要研究成果[1]，他們在全世界範圍內首次實現在大型動物身上直接成功完成CRISPR基因編輯，部分器官高達92%的恢復程度讓研究人員感到驚訝，連CRISPR技術的大牛Jennifer Doudna也表示「自己難以控制自己的興奮」[2]。

Eric N. Olson教授

這個成果向人們展示，CRISPR擁有在大型動物體內直接編輯大量體細胞基因組的能力，為諸多疾病的治療鋪平了道路。畢竟，我們無法退回到受精卵時改變自己的基因。

為什麼我們說用CRISPR直接編輯大型動物意義非凡？

因為以往的研究多是在體外對細胞進行編輯，再送回體內。不過這種方法目前還主要用於少數血液疾病，對於擁有近40萬億細胞的人類，很多器官和組織的疾病就無法用這種方法治療了，比如肌肉或內臟等等。

也有在小鼠中直接注射CRISPR進行體細胞編輯的試驗，但人體比小鼠大了幾百倍，需要高几個數量級的CRISPR載體，可能要面臨更多的脫靶，更低的編輯效率，以及更強的免疫排斥等等問題。小鼠離複雜的人體還差得太遠，這時大型動物試驗的意義就凸顯了。

Olson團隊這次就是要解決這個問題的。他們選擇的大型動物是人類的好朋友狗狗，治療的疾病是杜氏肌營養不良症。這種遺傳病在狗身表現了很多人類的病理和臨床特徵[3]，這也是選擇狗作為研究對象的原因之一。

杜氏肌營養不良症並不算罕見，全世界有超過30萬患者。這種病是一種X染色體隱性遺傳病，所以主要發生在男孩身上。它會使患者全身性肌肉萎縮（注意是全身哦，心肝肺等部位的肌肉都包括在內），很小時便失去行走能力，後來甚至連呼吸的力量都會退化，通常在20-30歲時就會死於呼吸衰竭。

杜氏肌營養不良症發病的原因是dystrophin基因發生了突變，這個基因編碼的支架蛋白主要負責支撐肌肉結構。突變使這個支架蛋白失去功能，造成患者全身肌肉退化，包括骨骼肌和心肌等[4]。

杜氏肌營養不良症患者

這個基因結構非常複雜，包括79個外顯子。這些外顯子正常情況下，在翻譯後成蛋白後會有序地排列，就像一個樂高積木。但他們的第45-50個外顯子容易發生突變，然後就使積木變得奇形怪狀。科學家仔細研究發現，第45-50外顯子搗亂，反而會使相鄰的第51個外顯子受影響，讓它看起來像是外來者，阻礙整個積木的搭建[5]。

有意思的是，當科學家把這個51號拿掉之後，這個積木就能擺好了，功能也恢復正常。所以目前治療這個病的方法就是，讓基因轉錄時跳過這個51號，把它從積木中拿出去。但這個療法只能讓患者的這個蛋白到正常人0.22%-0.32%的水平，少得可憐[6]。

既然是基因上出了問題，何不在基因上直接解決呢？身為上帝手術刀的Crispr戰士覺得自己可以大展拳腳了，身懷絕技正愁沒處施展抱負。

這次被選中的正是患有杜氏肌營養不良症的四隻的可憐小狗，他們年僅1個月。而載著CRISPR/Cas9去細胞內進行基因編輯作業的正是腺病毒載體。這次作業的主要任務是在51號外顯子處進行編輯，使其在轉錄時被跳過去。

腺病毒載體是在基因治療領域奮戰的老兵，在上一個基因治療時代便一直戰鬥在最前線，雖然屢屢折戟，但壯心不已。這次與Crispr相遇，可謂絕配。

全身的肌肉細胞不可計數，首次出征，不可貿然全面進攻，況且敵人隱藏在我方境內，若打草驚蛇，可能會傷及無辜。於是科學家決定先試探敵人虛實，重點進攻一處。

科學家們首先選取了兩隻患病的小狗，將帶有CRISPR/Cas9的腺病毒注射進小狗的一處骨骼肌中。6周後，取注射過腺病毒的肌肉組織進行檢測。對肌肉組織的進行檢測發現，正常功能的Dstrophin蛋白表達量達到了正常小狗肌肉組織的60%，而未注射得病小狗的只有2%，非常明顯的恢復！而之前研究表明，恢復到15%就會有很明顯的治療效果[7] 。

正常小狗與患病小狗肌肉注射Crispr 前後組織蛋白水平

對肌肉進行檢測發現，肌肉的萎縮癥狀明顯減輕，其他病症也顯著緩解。同時，檢查免疫標誌也顯示，治療沒有明顯的免疫排斥反應，證明治療是有效且安全的。

正常小狗與患病小狗注射Crispr 前後肌肉組織形態變化

初戰成功！

試探性進攻，戰果不小，接下來就是全面進攻了！

科學家們的最終目的是修正全身的肌肉組織，所以必須要擴大戰場，那麼通過靜脈注射將CRISPR/Cas9載體運送到全身各處才是正途。同時，為了避免傷害到其他細胞的基因組，讓Crispr/Cas9系統只在肌肉中發揮作用，表達系統是用肌肉特異型啟動子驅動的。

他們根據小狗的體重調整了腺病毒的劑量，將腺病毒注射進另外兩隻患病小狗的血液中。注射8周後，取小狗身體各處的肌肉組織進行檢測。蛋白含量分析顯示，目的蛋白在小狗的脛骨前肌、肱三頭肌、肱二頭肌、膈肌、心臟和舌肌的水平分別達到野生型的70%、25%、64%、58%、92%和5%。全身各處肌肉都有不停程度的恢復，尤其是心肌中，幾乎完全恢復！

正常小狗與患病小狗肌肉靜脈注射Crispr 前後組織蛋白水平

對小狗的肝腎功能以及造血功能進行檢測，發現各項指標都正常，治療並不會對小狗造成其他傷害。研究者們也對CRISPR/Cas9可能的脫靶效應進行了檢測，與對照相比，並沒有發現脫靶存在。

本次對小狗的治療沒有造成不可控的安全性問題，CRISPR/Cas9系統首次在大型動物體內的實驗成功了。

當然，這次實驗樣本數量較少，只有四隻，且對CRISPR/Cas9脫靶效應的檢測只進行到6-8周，安全性問題還需要更多更大的實驗進行驗證。文章並沒有提及小狗生理狀態的恢復，比如肌肉力量等等，也還需要進一步的探索。

此外，由於是對體細胞進行的編輯，也就是說新產生的細胞可能還是有缺陷的，疾病還是不能根治，不過與之前的療法相比，顯示了巨大的提升潛力。當然，腺病毒本身的價格還是挺貴的，對於很多人來說難以承擔。

本文作者也表示，現在還不急於進行人體試驗，還需要繼續檢驗它的安全性和持久性。

但是，本次研究的意義已不須我們多說，僅治療8周就對全身的肌肉細胞產生了如此大的改善，且效率之高，令本研究的參與者都感到驚訝。

我相信CRISPR臨床治療的時代不遠了。

編輯神叨叨

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參考資料：

[1]http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aau1549.full

[2]Cohen (2018) In dogs, CRISPR fixes a muscular dystrophy, Science, DOI: DOI: 10.1126/science.361.6405.835

[3] J. Hildyard, F. Rawson, R. Harron, D. Riddell, C. Massey, F. Taylor-Brown, D. J. Wells, R. J. Piercy, Characterising the skeletal muscle histological phenotype of the DeltaE50-MD dog, a preclinical model of Duchenne muscular dystrophy. Neuromuscul. Disord. 28, S18 (2018)

[4]K. F. O』Brien, L. M. Kunkel, Dystrophin and muscular dystrophy: Past, present, and future. Mol. Genet. Metab. 74, 75–88 (2001).

[5]Y. Li, Z. Liu, S. OuYang, Y. Zhu, L. Wang, J. Wu, Distribution of dystrophin gene deletions in a Chinese population. J. Int. Med. Res. 44, 99–108 (2016)

[6]Y. Shimizu-Motohashi, S. Miyatake, H. Komaki, S. Takeda, Y. Aoki, Recent advances in innovative therapeutic approaches for Duchenne muscular dystrophy: From discovery to clinical trials. Am. J. Transl. Res. 8, 2471–2489 (2016)

[7]C. Godfrey, S. Muses, G. McClorey, K. E. Wells, T. Coursindel, R. L. Terry, C. Betts, S. Hammond, L. O』Donovan, J. Hildyard, S. El Andaloussi, M. J. Gait, M. J. Wood, D. J. Wells, How much dystrophin is enough: The physiological consequences of different levels of dystrophin in the mdx mouse. Hum. Mol. Genet. 24, 4225–4237 (2015)

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本文作者 | 低溫藝術家 & BioTalker

「Crispr君，能把我編輯一下嗎？」

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