靶向表观遗传学的CRISPR-Cas9技术逆转了小鼠的疾病

围绕基因编辑技术,特别是CRISPR-Cas9技术的大部分热情都集中在插入或移除基因或修复引起疾病的突变的能力上。切割双链DNA分子的CRISPR-Cas9方法的主要问题是细胞如何响应该切割以及如何修复。随着频率的增加,这种技术会在其不确定的副作用下留下新的突变。

在12月7日发表在Cell杂志上的一篇论文中,Salk研究所的科学家报告了一种改良的CRISPR-Cas9技术,该技术改变了疾病相关基因的活性,而不是基础序列。研究人员证明,这种技术可用于小鼠治疗几种不同的疾病。

“切割DNA为引入新突变打开了大门,”Salk生物研究所的资深作者Juan Carlos Izpisua Belmonte说,他的实验室开发了这项新技术。“这是与我们一起使用CRISPR或我们开发的任何其他切割DNA工具的东西。它是遗传学领域的一个主要瓶颈 - 细胞在切割DNA后可能会引入有害物质错误“。

这一事实引导了Belmonte实验室的每一项实验,因为他们使用不会切割DNA的改良CRISPR-Cas9系统开发了该技术。他们的发现是第一个提供证据表明人们可以用表观遗传编辑技术改变动物的表型,保持DNA的完整性。

Salk技术背后的主要思想是使用两种腺相关病毒(AAV)作为将其遗传操作机制引入产后小鼠细胞的机制。研究人员将Cas9酶的基因插入到一种AAV病毒中。他们使用另一种AAV病毒来引入短的单指导RNA(sgRNA),其指定Cas9将结合的小鼠基因组中的精确位置,以及转录激活因子。与大多数CRISPR-Cas9技术中使用的标准20个核苷酸相比,较短的sgRNA仅为14或15个核苷酸,这可防止Cas9切割DNA。

“基本上,我们使用修饰的指导RNA将转录激活因子与Cas9一起工作,并将该复合物传递到我们感兴趣的基因组区域,”Belmonte实验室的共同第一作者Hsin-Kai Liao说。

该复合物位于感兴趣的DNA区域并促进目的基因的表达。类似的技术可用于激活几乎任何基因或遗传途径,而没有引入潜在有害突变的风险。

“我们希望在没有DNA切割的情况下改变细胞命运的治疗效率,”共同第一作者Fumiyuki Hatanaka解释道。

引人注目的是,该团队在小鼠的几种疾病模型中证明了疾病逆转。在急性肾病的小鼠模型中,他们表明该技术激活先前受损或沉默的基因以恢复正常的肾功能。他们还能够诱导一些肝细胞分化成产生胰岛素的胰腺样细胞,以部分拯救1型糖尿病的小鼠模型。

研究小组还表明,他们可以恢复肌肉营养不良的小鼠模型中的肌肉生长和功能,这是一种已知基因突变的疾病。研究人员没有试图纠正突变基因,而是增加了基因在与突变基因相同的途径中的表达,从而超越了受损基因的作用。“我们没有固定基因;突变仍然存在,”贝尔蒙特说,“相反,我们正在研究表观基因组,小鼠在同一途径中恢复其他基因的表达。这足以恢复肌肉的功能。这些突变小鼠。“

初步数据表明该技术是安全的,不会产生不必要的基因突变。然而,在考虑将其带入临床环境之前,研究人员正在进行进一步的研究以确保安全性,实用性和效率。

Belmonte将这项技术视为一种潜在治疗阿尔茨海默氏症和帕金森病等神经系统疾病的方法。正如该技术在小鼠模型中恢复肾脏,肌肉和胰岛素生成功能一样,他看到了恢复神经元群体的未来,甚至可能是人类患者的一天。

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