盘点:CRISPR最新八大突破进展

日期: 2015年06月11日


    

CRISPR技术作为一种最新涌现的基因组编辑工具,能够完成RNA导向的DNA识别及编辑,为构建更高效的基因定点修饰技术提供了全新的平台,受到众多科学家的追捧。今年,国家自然科学基金委员会公布的2014年国家自然科学基金申请项目中共批准了31项CRISPR相关的项目,总金额达1300万元。

 

此前,《Nature Methods》杂志在十周年之际推出了纪念特刊,点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术。CRISPR与二代测序、单分子技术、细胞重编程、光遗传学、超高分辨率显微镜等纷纷上榜。

 

基因组工程可以在体外培养的细胞、模式和非模式生物中,进行自定义的改动,这类技术为相关研究带来了极大的便利。研究者们能够在这些工具的帮助下敲除基因、 引入突变或者构建融合基因。最近,CRISPR-Cas9系统成为了这一领域的新宠儿。该系统使用RNA为核酸酶导航,不仅很容易设计,而且能够改写几乎 任何基因组序列。

 

以下,为大家盘点近期CRISPR最新的八大突破进展:

 

Nature(9月28):CRISPR也可编辑RNA

来自加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的一个研究人员小组,证实借助于一种方法可以编程CRISPR/Cas9蛋白复合物在序列特异性的 靶位点识别并切割RNA。这一研究发现有可能改变RNA功能研究的模式,为检测、分析和操控RNA转录物铺平了道路。相关论文发表在9月28日的《自然》 (Nature)杂志上。

 

由生物化学家、CRISPR/Cas9复合物研究权威人士Jennifer Doudna领导的这一研究小组,揭示出Cas9酶可与称作为“PAM”( protospacer adjacent motif)的短DNA序列共同作用,识别并结合到单链RNA(ssRNA)特异位点上。他们将这一RNA靶向性CRISPR/Cas9复合物命名为 RCas9。

 

研究人员预示RCas9将具有广泛的潜在应用。例如,将RCas9与一种蛋白质翻译起始因子连接到一起靶向特异的mRNA,可以作为一种设计翻译因子来“上调”或是“下调”由这一mRNA合成的蛋白质。

 

Cell(9月25日):CRISPR成功构建肺腺癌小鼠模型

作为近两年大热的CRISPR技术先锋人物之一,张锋(Feng Zhang)博士9月25日在《Cell》杂志上发表了CRISPR重要研究成果。

来自Broad研究所和麻省理工学院的研究人员构建出了一种新的小鼠模型,简化了CRISPR-Cas9系统在体内基因组编辑实验中的应用。研究人员成功利 用这一新型“Cas9小鼠”模型编辑了各种细胞类型中的多个基因,并构建出了最致命的一种人类癌症——肺腺癌的模型。他们已将这一小鼠提供给科学团体,当 前有十多家机构的研究人员正在利用它。

张锋说:“这一‘Cas9小鼠’使得研究人员能够更为容易地在体内扰乱多个基因。开发这一小鼠的目的在于使得研究人员能够更快速地筛查与疾病和正常生物学过程相关的一长串基因名单。”

 

Nature Biotechnology(9月21日):CRISPR系统新功能 对抗超级细菌

美国麻省理工学院的生物学和电气工程师Timothy Lu的研究小组利用其实验室开发的噬菌体传递技术,采用CRISPR-Cas——细菌用来防止病毒攻击的一个系统——来删除攻击型基因,如NDM-1,该基因能够使细菌对多种β-内酰胺类抗生素产生耐药性。

在三株具有不同耐药性的大肠杆菌组成的一个合成分组中,该研究小组能够利用他们的新策略,选择性地靶定他们想得到的菌株,同时保持其他细菌的完整 性。研究小 组治疗感染一种有害大肠杆菌的蜡虫(waxworm)幼虫,并且目前在小鼠中进行研究。相关研究结果发表在最近的《Nature Biotechnology》杂志。

另外,10月5日,《Nature Biotechnology》发表的一项研究,描述了一种相同的方法来杀死恶性的、但无致病力的金黄色酿脓葡萄球菌。这两个研究小组都为他们的新靶向系统,申请了专利。

 

Scientific Reports(9月19日):CRISPR新成果——帮助建立PAGE基因分型法

目前,检测靶位点插入突变的技术主要有Surveyor分析、T7E1分析和HRMA(High Resolution Melt Analysis)。人们在用CRISPR/Cas9建立小鼠和大鼠模型时,主要用的是T7E1分析。

9月19日,发表在《Scientific Reports》杂志上的研究中,中科院田勇研究小组通过CRISPR/Cas9系统建立了6个品系的小鼠,并用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)法对F0 至F2代的小鼠进行了基因分型。研究显示,PAGE基因分型法检测mosaic DNA的灵敏度可达0.5%。此外,研究人员还用PAGE法在人293T和iPSC中,检测了CRISPR/Cas9的脱靶情况。研究表明,PAGE分析 法比T7E1更简捷高效,符合人们日益增长的需求。这种方法有望替代T7E1成为基因分析的常规方案。

 

Nature(9月3日):巧借CRISPR技术解读人类基因组

每个人都是由先天与后天:DNA以及环境共同塑造而成。相比于其他人的基因组,存在于你的基因组中的一些差异如何影响了你成为什么样的人?9月3日 在发表于 《Nature》杂志上的一项研究中,来自华盛顿大学的研究人员巧妙地结合CRISPR/Cas9基因组编辑技术和深度基因测序技术,让我们朝着解答这一 重要的问题迈出了一大步。

研究人员利用一个供体模板复合文库,将CRISPR/Cas9 RNA引导的切割与多路同源性修复结合到一起,对一些基因组区域成功进行了饱和编辑。在BRCA1基因的第18个外显子中,他们用所有可能的六联体 (hexamer)DNA片段替代了一个包含6个碱基对的基因组区域,并用所有可能的单核苷酸变异(SNVs)来替代了整个外显子,结合深度测序检测了对 于转录物丰度的强力影响。此外,他们还用相同的方法对细胞生存至关重要的基因:DBR1的一个保守编码区域进行了饱和基因组编辑,检测了对于生长的相对影 响。

研究人员表示结合饱和基因编辑和深度测序,采用这种巧妙的方法来检测大量突变的功能性影响,将有可能推动对一些顺式调控元件和反式作用因子进行高分辨率的功能解析,并大大提高我们解读临床测序中不确定意义的一些变异的能力。

 

Nature(8月31日): CRISPR系统可区分病毒“是敌是友”

科学家们一直认为,细菌的免疫系统会自动地破坏它识别为入侵病毒基因的东西。然而,8月31日,发表在《Nature》杂志上的一项研究中,来自洛克菲勒大学的研究人员在新实验中证实,一种称作为CRISPR-Cas系统的细菌免疫系统可以将病毒朋友和敌人区分开来。

该研究发现,葡萄球菌CRISPR系统能够有效地靶向两条互补DNA链上的一段序列和它的对应序列。研究人员怀疑产生这种矛盾的原因是大多数的病毒基因朝着单一方向进行转录,这意味着两条靶DNA链有一条不转录。

在 一系列的试验中,他和同事们检测了他们的假设:称作为Type III-A的葡萄球菌CRISPR-Cas系统可以容忍溶原病毒感染,只要靶序列不被转录。他们设计了一段靶序列,其只在存在一种特异化学物质时才发生转 录。因此Type III-A CRISPR-Cas系统只在存在这种化学物质时破坏靶标。

这项研究表明了一种可能性:每种CRISPR类型和亚型都是以不同的方式来识别和破坏它的靶标,各自调整满足特定细菌的需要。如果确实存在这些不同的靶向机制,它们对于生物技术可能具有重要的意义。

 

Developmental Cell(8月21日):利用CRISPR开发出条件性敲除的新策略

条件性基因敲除,是利用位点特异性重组酶系统实现时间或者空间上可调节的基因敲除。而条件性基因敲除动物,是人们解析发育机制的一个宝贵工具。8月 21日, 在线发表在《Developmental Cell》杂志上的一项研究中,清华大学的研究团队在CRISPR-Cas9的基础上,开发了一个条件性敲除的新策略。

研究人员通过在时间和空间上的操控CRISPR-Cas9的表达,对线虫体细胞系实现了条件性敲除。研究显示,体细胞CRISPR-Cas9技术能够在不同发育阶段的多种细胞类型中进行条件性敲除,是一种既快速又有效的新途径。

随后,研究人员将CRISPR-Cas9条件性敲除与活细胞成像结合起来进行研究。他们发现,与人类神经行为功能障碍有关的胚胎基因 Coronin,在线虫 的神经发育过程中负责调控肌动蛋白细胞骨架和细胞形态。这项研究表明,体细胞CRISPR-Cas9平台特别适合用于条件性基因编辑,以及在此基础上的生 物医学研究。

Science(8月15日):利用CRISPR技术治疗杜氏肌营养不良症

杜氏肌营养不良症是一种主要影响男孩的遗传疾病,全球平均每3600名男婴中就有一人罹患此病。肌营养不良是由于一种肌肉纤维强度必需蛋白:dystrophin突变导致的,如果没有这种蛋白,骨骼肌、心肌和其他肌肉就会逐步退化。目前,对此尚无有效的治疗方法。

8月15日发表在《Science》上的一项研究中,来自德州大学西南医学中心的研究人员采用了CRISPR技术阻止杜氏肌营养不良小鼠模型中的肌肉退化,这种方法能帮助研究人员像进行外科手术一样的精确“纠正”基因突变。

对携带了突变dystrophin的小鼠,研究人员移除了它们携带突变的胚胎,在这些胚胎中注射了CRISPR 编辑元件,这些元件主要靶向并纠正dystrophin突变。然后将这些胚胎返回到野生型雌鼠体内。这样生下来的子代小鼠具有正常的 dystrophin,正常的骨骼肌功能,而且甚至是只有17%的细胞得到了纠正也能令其骨骼肌恢复功能。这种技术虽然目前不是应用在人体,但是这一概念 为未来治疗这种疾病带来了希望。

 

 
本文转载自生物探索www.biodiscover.com
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