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改变活细胞基因组的新技术

核心提示:来自麻省理工学院、Broad研究所和洛克菲勒大学的研究人员开发了一项新技术,可通过添加或删除基因精确改变活细胞的基因组。研究人员说这一技术有可能为我们提供一种使用方便的廉价方法,用于操控生物体生产生物燃料,设计动物模型研究人类疾病,开发新疗法,以及其他潜在应用。

  【中国生物产业网www.cnbioindustry.cn】2013年1月6日讯  来自麻省理工学院、Broad研究所和洛克菲勒大学的研究人员开发了一项新技术,可通过添加或删除基因精确改变活细胞的基因组。研究人员说这一技术有可能为我们提供一种使用方便的廉价方法,用于操控生物体生产生物燃料,设计动物模型研究人类疾病,开发新疗法,以及其他潜在应用。

  为了创造出这一新基因组编辑技术,研究人员对一组细菌蛋白进行了修饰,这些蛋白通常对病毒入侵起抵御作用。该研究小组的负责人、麻省理工学院脑与认知科学助理教授、McGovern 脑研究所和Broad研究所核心成员张锋(Feng Zhang,音译)说,利用这一系统,科学家们可以同时改变数个基因组位点,可以更好地控制新基因的插入位点。“有任何需要对某一生物体进行操控,插入新基因或修饰生物体的基因组,都将能够由此获益,”张锋说。

  张锋及其同事在1月3日《科学》(Science)杂志上的一篇论文中对这一新技术进行了详细描述。论文的主要作者还包括研究生Le Cong和Ann Ran。

  早期的努力

  上世纪80年代,科学家们通过将小片段DNA添加到小鼠胚胎干细胞中,构建出了第一个转基因小鼠。这种方法目前被广泛应用于构建研究人类疾病的转基因小鼠,然而,由于该方法是将DNA随机插入基因组,研究人员无法让新递送基因靶向替代现有基因。

  近年来,科学家们一直在寻求更精确的基因组编辑方法。有一种称作同源重组的方法,是通过在目的基因两侧引入与插入基因组区域相匹配的序列,将一段DNA片段导入到受体细胞基因组上。然而由于自然重组过程在正常细胞中不常发生,因此这一技术的成功率很低。

  最近,生物学家们发现,他们可通过添加一种切割DNA的核酸酶来提高这一过程的效率。锌指核酸酶通常用于将核酸酶递送到某一特定位点,然而由于锌指酶无法靶向每一种可能的DNA序列,限制了它们的应用。此外,组装这些蛋白也是一个费劳力的昂贵的过程。

  称作转录激活因子样效应物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)的复合物,也可用于在特异位点切割基因组,但这些复合物同样昂贵,且难于组装。

  精确靶向

  张锋说新系统更加容易使用。利用自然生成的细菌蛋白质-RNA系统识别和剪断病毒DNA,研究人员能够生成一些DNA编辑复合物,复合物中包含有结合短RNA序列的Cas9核酸酶。这些序列设计靶向基因组中的特异位点;当它们遇到匹配序列时,Cas9就会切割DNA。

  这种方法可用于破坏某一基因的功能,或是用新基因来替代它。为了实现基因替代,研究人员还必须添加一个新基因的DNA模板,以便在DNA切割后将其拷贝到基因组中。

  每个RNA片段都可以靶向不同的序列。“其妙处在于——你可以轻易地指定一种核酸酶靶向基因组中一个或更多的位点,”张锋说。

  这种方法也非常的精密,哪怕RNA靶向序列和基因组序列之间存在有一个碱基对差异,Cas9都不会激活。这是不同于锌指酶或TALEN之处。新系统相比TALEN似乎更有效,且更为廉价。

  新系统是“基因组编辑领域的一个重大进展,在第一阶段其似乎已经与锌指核酸酶及TALENs效率相当,”威斯康星医学院生理学副教授Aron Geurts说:“解密日益增加的、与人类健康及疾病相关的遗传变异数据,需要在模型系统中利用这类可扩展的精确的基因组编辑技术。”

  研究小组已经将必需的遗传元件交给非盈利组织Addgene保管,确保想利用这一系统的其他研究人员能够广泛获取这些元件。研究人员还建立了一个网站,提供建议以及使用这一技术的工具。

  设计新疗法

  在其他可能的应用中,这一系统还可能用于设计新疗法,治疗由单个遗传变异引起的疾病,如亨廷顿氏舞蹈病。当前正在开展的临床实验是利用锌指核酸酶来破坏基因,新技术有可能提供一种更有效的替代方法。

  这一系统或许还可用于治疗HIV,从患者处获取淋巴细胞,突变其CCR5受体,然后再将细胞回输到患者体内,这样的细胞将能够抵御感染。

  通过在人类干细胞中诱导特异突变,这种方法也可以使研究人类疾病变得更为容易。“利用这一基因编辑系统,你可以非常系统地引入单个突变,使干细胞分化为神经元或心肌细胞,观察这些突变对细胞生物学的改变,”张锋说。

  在Science新研究中,研究人员在实验室培养的细胞中测试了这一系统,他们还计划将这一新技术应用于研究脑功能和疾病。

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编辑:Cassie.D

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