Science：CRISPRa加入肥胖之戰，無需編輯基因組就能對抗肥胖

在一項重要的新研究中，來自美國加州大學舊金山分校的研究人員證實CRISPR療法可以在不切割DNA的情況下減少體內的脂肪。他們利用一種經過修飾的CRISPR版本提高某些基因的活性，從而阻止攜帶著導致極端體重增加易於發生的基因突變的小鼠出現重度肥胖。重要的是，他們實現了持久的體重控制，而無需對小鼠基因組進行一次基因編輯。相關研究結果於2018年12月13日在線發表在Science期刊上，論文標題為「CRISPR-mediated activation of a promoter or enhancer rescues obesity caused by haploinsufficiency」。

單拷貝突變導致許多人類疾病

儘管人類基因組包含每個基因的兩個拷貝，一個拷貝來自父親，另一個拷貝來自母親，但是科學家們已知道在至少660個基因中，僅一個拷貝發生突變就能夠導致疾病，其中的一些疾病甚至是毀滅性的。重度肥胖就是這樣的一種疾病。在這項新的研究中，這些研究人員利用重度肥胖作為一種模型，旨在開發新的治療方法來自治療這些由單拷貝突變引發的疾病。

CRISPRa示意圖，圖片來自ACS Chem Biol. 2018 Feb 16;13(2):40

基因SIM1或MC4R---兩個在調節飢餓和飽腹感中起著至關重要作用的基因---的單個拷貝發生突變在重度肥胖患者中是經常觀察到的。當這些基因的兩個拷貝都起作用時，人們通常能夠控制他們的食物攝入。但是基因突變能夠讓其中的一個拷貝失去功能，這迫使人體完全依賴於單個正常的基因拷貝，然而這個正常的基因拷貝本身無法足夠地發出飽食信號，這就使得受到影響的個人具有無休止的食慾。結果就是他們無法控制他們的食物攝入並最終導致重度肥胖。但是，CRISPR技術取得的最新進展可能提供一種治療方案。

論文通訊作者、加州大學舊金山分校生物工程與治療科學教授Nadav Ahituv博士說，「我們認為如果我們能夠增加現有的一個功能性基因拷貝的表達劑量，我們就可能阻止攜帶單拷貝突變的個人患上許多人類疾病。我們能夠通過使用在加州大學舊金山分校開發的一種基於CRISPR的新技術來實現這一目標。」

利用CRISPRa激活抑制食慾的基因

在這項新的研究中所涉及的這種技術是一種稱為CRISPR介導激活（CRISPR-mediated activation, CRISPRa）的技術。它是由加州大學舊金山分校細胞與分子藥理學教授Jonathan Weissman博士及其團隊開發出來的，它與常規CRISPR的不同之處在於它不會對宿主基因組進行切割。它保持了常規CRISPR的引導系統，這種引導系統經編程後能夠靶向特定的DNA序列，但是將與一串短肽（即SunTag array）融合在一起的沒有切割活性的Cas9（dCas9）替換常規CRISPR中的有切割活性的Cas9。當CRISPRa找到其靶DNA序列時，這一串短肽能夠在細胞中招募轉錄激活因子，從而促進特定基因表達，但是沒有發生基因編輯。

在認識到它的潛力後，這些研究人員構建出靶向調節SIM1或MC4R活性的序列的CRISPRa系統。他們在經過基因改造後僅有SIM1或MC4R的一個功能性拷貝的小鼠中，利用一種病毒運送系統將這些CRISPRa構造體導入到小鼠的大腦飢餓控制區域中。

接受CRISPRa構造體注射的小鼠比沒有接受CRISPRa構造體注射的小鼠產生更多的SIM1或MC4R，而且，產生的SIM1或MC4R數量與具有這些基因的兩個功能性拷貝的小鼠在正常情形下產生的數量相當。最為重要的是，增加的表達劑量足以阻止這些小鼠變得肥胖。

論文第一作者、Ahituv實驗室研究員Navneet Matharu博士說，「這些結果是激動人心的。缺失一個SIM1基因拷貝的小鼠在4周齡時接受了CRISPRa注射，並且像正常小鼠那樣保持健康的體重。未接受CRISPRa注射的小鼠不能停止進食。它們在6周齡時開始體重增加，而且到10周大時，攝入普通飲食的它們出現重度肥胖。」

接受CRISPRa治療的小鼠在體重上要比未治療的小鼠減輕30％至40％。這種效果也是持久性的。這些研究人員對這些小鼠進行了10個月的監測---這是小鼠正常壽命的一小部分---並且發現那些接受CRISPRa單次治療的小鼠在監測期間保持了健康的體重。

Matharu說，「這些結果表明，CRISPRa可能用於提高因一個基因拷貝缺失引起的疾病中的基因表達劑量，從而為某些形式的肥胖以及數百種其他疾病提供一種潛在的治療方法。」

CRISPRa能夠克服基因編輯的局限性

這些研究人員認為，通過使用CRISPR對這些小鼠的基因組進行編輯，也可能取得類似的結果，但是他們認為相比於這種常規的基因編輯技術，CRISPRa具有許多優勢。

論文共同作者、加州大學舊金山分校糖尿病研究主任Christian Vaisse博士說，「出於治療目的，CRISPRa可能優於常規CRISPR。它解決了許多與對基因組進行永久性修飾相關的問題，並且它有潛力治療多種不能選擇基因編輯加以治療的遺傳疾病。」

儘管常規CRISPR靶向特定的DNA序列，但是人們已觀察到它存在脫靶效應。對常規CRISPR而言，這可能無意中導致基因組發生永久性變化，從而產生潛在有害的結果。然而，與CRISPRa相關的脫靶效應不太可能具有破壞性，這是因為它沒有導致永久性變化。事實上，這項新的研究表明利用CRISPRa靶向啟動子和增強子---控制基因何時何地開啟的非編碼DNA序列---似乎能夠阻止脫靶效應，同時將所需的效果限制在感興趣的特定組織中。

這些研究人員還指出CRISPRa可能用於治療其他類型的遺傳疾病。就目前而言，由所謂的「微缺失（microdeletion）」---這一術語指的是較大的橫跨上百萬個核苷酸和多個基因的染色體片段缺失---引起的疾病對常規CRISPR來說因缺口太大而無法加以修復。在這種情況下，CRISPRa可能通過增加染色體上未受影響的基因拷貝的活性來補償這種微缺失。他們表示，在基因完全喪失（即一個基因的兩個拷貝都失去活性）的情況下，CRISPRa還可能激活另一個具有相似功能的基因來補償這個缺失的基因。

Ahituv說，「儘管這項新的研究著重關注肥胖，但是我們認為我們的系統可能用於僅一個基因拷貝的缺失就能夠導致疾病的任何情形。我們的方法展示了它在治療多種疾病上具有巨大的治療潛力，而且我們能夠在不對基因組進行任何編輯的情況下實現這些益處。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Navneet Matharu et al. CRISPR-mediated activation of a promoter or enhancer rescues obesity caused by haploinsufficiency. Science, 2018, doi:10.1126/science.aau0629.

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