來自麻省理工學院、Broad研究所和洛克菲勒大學的研究人員開發(fā)了一項新技術(shù)，可通過添加或刪除基因精確改變活細胞的基因組。研究人員說這一技術(shù)有可能為我們提供一種使用方便的廉價方法，用于操控生物體生產(chǎn)生物燃料，設(shè)計動物模型研究人類疾病，開發(fā)新療法，以及其他潛在應(yīng)用。

 

為了創(chuàng)造出這一新基因組編輯技術(shù)，研究人員對一組細菌蛋白進行了修飾，這些蛋白通常對病毒入侵起抵御作用。該研究小組的負責人、麻省理工學院腦與認知科學助理教授、McGovern 腦研究所和Broad研究所核心成員張鋒（Feng Zhang，音譯）說，利用這一系統(tǒng)，科學家們可以同時改變數(shù)個基因組位點，可以更好地控制新基因的插入位點。“有任何需要對某一生物體進行操控，插入新基因或修飾生物體的基因組，都將能夠由此獲益，”張鋒說。

 

張鋒及其同事在1月3日《科學》（Science）雜志上的一篇論文中對這一新技術(shù)進行了詳細描述。論文的主要作者還包括研究生Le Cong和Ann Ran。

 

早期的努力

 

上世紀80年代，科學家們通過將小片段DNA添加到小鼠胚胎干細胞中，構(gòu)建出了第一個轉(zhuǎn)基因小鼠。這種方法目前被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建研究人類疾病的轉(zhuǎn)基因小鼠，然而，由于該方法是將DNA隨機插入基因組，研究人員無法讓新遞送基因靶向替代現(xiàn)有基因。

 

近年來，科學家們一直在尋求更精確的基因組編輯方法。有一種稱作同源重組的方法，是通過在目的基因兩側(cè)引入與插入基因組區(qū)域相匹配的序列，將一段DNA片段導入到受體細胞基因組上。然而由于自然重組過程在正常細胞中不常發(fā)生，因此這一技術(shù)的成功率很低。

 

最近，生物學家們發(fā)現(xiàn)，他們可通過添加一種切割DNA的核酸酶來提高這一過程的效率。鋅指核酸酶通常用于將核酸酶遞送到某一特定位點，然而由于鋅指酶無法靶向每一種可能的DNA序列，限制了它們的應(yīng)用。此外，組裝這些蛋白也是一個費勞力的昂貴的過程。

 

稱作轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)的復(fù)合物，也可用于在特異位點切割基因組，但這些復(fù)合物同樣昂貴，且難于組裝。

 

精確靶向

 

張鋒說新系統(tǒng)更加容易使用。利用自然生成的細菌蛋白質(zhì)-RNA系統(tǒng)識別和剪斷病毒DNA，研究人員能夠生成一些DNA編輯復(fù)合物，復(fù)合物中包含有結(jié)合短RNA序列的Cas9核酸酶。這些序列設(shè)計靶向基因組中的特異位點；當它們遇到匹配序列時，Cas9就會切割DNA。

 

這種方法可用于破壞某一基因的功能，或是用新基因來替代它。為了實現(xiàn)基因替代，研究人員還必須添加一個新基因的DNA模板，以便在DNA切割后將其拷貝到基因組中。

 

每個RNA片段都可以靶向不同的序列?！捌涿钐幵谟凇憧梢暂p易地指定一種核酸酶靶向基因組中一個或更多的位點，”張鋒說。

 

這種方法也非常的精密，哪怕RNA靶向序列和基因組序列之間存在有一個堿基對差異，Cas9都不會激活。這是不同于鋅指酶或TALEN之處。新系統(tǒng)相比TALEN似乎更有效，且更為廉價。

 

新系統(tǒng)是“基因組編輯領(lǐng)域的一個重大進展，在第一階段其似乎已經(jīng)與鋅指核酸酶及TALENs效率相當，”威斯康星醫(yī)學院生理學副教授Aron Geurts說：“解密日益增加的、與人類健康及疾病相關(guān)的遺傳變異數(shù)據(jù)，需要在模型系統(tǒng)中利用這類可擴展的精確的基因組編輯技術(shù)。”

 

研究小組已經(jīng)將必需的遺傳元件交給非盈利組織Addgene保管，確保想利用這一系統(tǒng)的其他研究人員能夠廣泛獲取這些元件。研究人員還建立了一個網(wǎng)站，提供建議以及使用這一技術(shù)的工具。

 

設(shè)計新療法

 

在其他可能的應(yīng)用中，這一系統(tǒng)還可能用于設(shè)計新療法，治療由單個遺傳變異引起的疾病，如亨廷頓氏舞蹈病。當前正在開展的臨床實驗是利用鋅指核酸酶來破壞基因，新技術(shù)有可能提供一種更有效的替代方法。

 

這一系統(tǒng)或許還可用于治療HIV，從患者處獲取淋巴細胞，突變其CCR5受體，然后再將細胞回輸?shù)交颊唧w內(nèi)，這樣的細胞將能夠抵御感染。

 

通過在人類干細胞中誘導特異突變，這種方法也可以使研究人類疾病變得更為容易?！袄眠@一基因編輯系統(tǒng)，你可以非常系統(tǒng)地引入單個突變，使干細胞分化為神經(jīng)元或心肌細胞，觀察這些突變對細胞生物學的改變，”張鋒說。

 

在Science新研究中，研究人員在實驗室培養(yǎng)的細胞中測試了這一系統(tǒng)，他們還計劃將這一新技術(shù)應(yīng)用于研究腦功能和疾病。