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2020年5月CRISPR/Cas最新研究進展

來源:搜狐網

· 最新进展

基因組編輯技術CRISPR/Cas9被《科學》雜誌列為2013年年度十大科技進展之壹,受到人們的高度重視。CRISPR是規律間隔性成簇短回文重復序列的簡稱,Cas是CRISPR相關蛋白的簡稱。CRISPR/Cas最初是在細菌體內發現的,是細菌用來識別和摧毀抗噬菌體和其他病原體入侵的防禦系統。

2018年11月26日,中國科學家賀建奎聲稱世界上首批經過基因編輯的嬰兒---壹對雙胞胎女性嬰兒---在11月出生。他利用壹種強大的基因編輯工具CRISPR-Cas9對這對雙胞胎的壹個基因進行修改,使得她們出生後就能夠天然地抵抗HIV感染。這也是世界首例免疫艾滋病基因編輯嬰兒。這條消息瞬間在國內外網站上迅速發酵,引發千層浪。有部分科學家支持賀建奎的研究,但是更多的是質疑,甚至是譴責。

即將過去的5月份,有哪些重大的CRISPR/Cas研究或發現呢?小編梳理了壹下這個月生物谷報道的CRISPR/Cas研究方面的新聞,供大家閱讀。


1.多項研究開發出可增強基因組編輯範圍的新型CRISPR/Cas9工具
doi:10.1038/s41467-020-16117-8; doi:10.1038/s41587-020-0517-0; doi:10.1126/sciadv.aau0766
CRISPR的應用範圍從治療遺傳疾病到農作物的營養功效,它已經成為最有前景的基因組編輯工具之壹。然而,Cas9酶依賴特定的DNA郵政編碼來確定切割和編輯的位置。雖然來自釀膿鏈球菌的Cas9(SpCas9)受到最廣泛使用,但是它需要靶位點旁邊存在兩個G堿基。只有不到10%的DNA序列符合這壹要求。


在2020年5月發表在Nature Biotechnology期刊和Nature Communications期刊上的兩項新的研究中,來自美國麻省理工學院等研究機構的研究人員成功設計出具有增強基因組編輯能力的新蛋白,從而極大地拓寬了可以準確有效地訪問的DNA序列。這兩項研究是由剛在麻省理工學院媒體實驗室完成博士學位的Pranam Chatterjee、麻省理工學院媒體實驗室副教授Joseph Jacobson與美國馬薩諸塞大學醫學院的研究人員合作完成的。論文標題分別為“An engineered ScCas9 with broad PAM range and high specificity and activity”和“A Cas9 with PAM recognition for adenine dinucleotides”。

這些新發現源於這些作者早期在Cas9蛋白的計算發現方面取得的突破性成就。他們從犬鏈球菌(Streptococcus canis)中鑒定出了Cas9(ScCas9),並在實驗中對它進行了表征。雖然與SpCas9相似,但ScCas9具有更廣泛地靶向DNA序列的能力。這壹發現將Cas9酶可以靶向的位置從最初的基因組上的10%位點擴大到將近50%。2018年,他們在Science Advances期刊上首次報道了這些發現(Science Advances, 24 Oct 2018, doi:10.1126/sciadv.aau0766)。

為了改進ScCas9作為基因組編輯工具的功能,這些作者通過計算方法從相似的Cas9蛋白中找出了獨特的部分,從而設計出ScCas9的壹個優化版本,他們將它命名為Sc++。

與此同時,這些作者成功地利用他們之前開發的SPAMALOT算法,發現了需要兩個A堿基而不是兩個G堿基的獼猴鏈球菌(Streptococcus macacae)Cas9(SmacCas9)。通過結構域交換和進壹步的基因改造,他們獲得新的iSpyMac酶作為首批已知的不需要G堿基的Cas9編輯器之壹,這樣就可以進壹步靶向之前無法靶向的20%的基因組。

鑒於世界各地的實驗室已經開始使用這些酶成功編輯從水稻到兔子等各種有機體的基因組,因此這兩項研究的下壹個目標將是開發工具來靶向剩余30%的基因組序列。Chatterjee與瑞士蘇黎世大學合作,正在尋求最終的進展,從而讓科學家們能夠靶向任何基因組序列,並在治療遺傳疾病時解決任何類型的基因突變問題。

2.FDA批準張鋒領銜開發的新冠病毒CRISPR測試:1小時出結果,如驗孕紙般方便!
新聞來源:SHERLOCK-based one-step test provides rapid and sensitive COVID-19 detection

張鋒等人開發的基於CRISPR的新技術可以通過壹步反應在壹小時內提供SARS-CoV-2的檢測結果,研究人員共享了實驗方案和工具包,以推進研究並向臨床驗證邁進。美國FDA於5月6日批準了該技術作為應急測試用於臨床檢測新冠病毒。

來自麻省理工學院麥戈文大腦研究所、麻省理工學院和哈佛大學的布羅德研究所、Ragon研究所和霍華德休斯醫學研究所的壹組研究人員開發了壹種新的診斷平臺,名為STOP (SHERLOCK Testing in One Pot)。該測試可以在壹小時內以最少的處理過程進行單步反應,這使得基於CRISPR的SHERLOCK診斷技術更接近於壹種現場或家庭測試工具。它的工作原理是通過對CRISPR進行編程,在鼻、口、喉拭子或肺部液體中檢測SARS-CoV-2基因物質的片段。如果發現了病毒的遺傳物質,CRISPR酶就會發出熒光。

這種新測試名為"STOPCovid",基於STOP平臺。在研究中,它已被證明能夠快速、準確和高度敏感地檢測COVID-19病毒SARS-CoV-2,方法很簡單,且只需要很少的培訓,並使用簡單、現成的設備,如試管和水浴。STOPCovid已在研究中得到驗證,研究人員使用了診斷為COVID-19的患者的鼻咽拭子。作為原理的證明,SARS-CoV-2 RNA被添加到唾液樣本中,然後用它進行檢測也獲得了成功。

3.Nat Med重磅!基因編輯T細胞治療癌癥是安全的!華西醫院全球首個基因編輯T細胞治療癌癥的臨床試驗結果公布!
doi:10.1038/s41591-020-0840-5
 

對免疫檢查點基因進行CRISPR-Cas9介導的基因編輯可以提高T細胞治療的療效,但首先必須了解其安全性和可行性。近日發表的利用CRISPR基因編輯技術對細胞進行的首次人體試驗結果表明,這種療法是安全且持久的。
 

近日來自四川大學華西醫院的盧鈾教授領銜的研究團隊在Nature Medicine上報告了全球首個基因編輯免疫細胞的臨床試驗結果,該研究報道了CRISPR-Cas9介導PD-1編輯的T細胞在晚期非小細胞肺癌患者中的第壹期臨床試驗結果(ClinicalTrials.gov NCT02793856)。該研究的主要終點是安全性和可行性,次要終點是有效性。探索的目標包括追蹤編輯過的T細胞。結果表明研究滿足了所有預先指定的終點。
 

研究人員從肺癌患者身上提取了T淋巴細胞,然後利用電穿孔介導的Cas9和單導RNA質粒共轉染,使這些T細胞的PD-1失效,從而在體外制造PD-1編輯的T細胞。通常情況下,PD-1蛋白會發出信號,阻止免疫細胞對人體自身組織發起攻擊,而活躍的PD-1會打開癌癥擴散的大門。

該研究共納入22例患者;其中17人獲得了足夠的編輯T細胞進行輸註,12人能夠接受治療。研究人員發現所有與治療相關的不良事件均為1/2級。經編輯的T細胞輸註後可在外周血中檢測到。基因編輯後的T細胞在血液中至少停留了4周,這表明這種策略可能會產生持久的效果。

這些病人的中位無進展生存期為7.7周(95%置信區間,6.9 - 8.5周),中位總生存期為42.6周(95%置信區間,10.3-74.9周)。研究人員通過對18個候選位點進行下壹代測序,發現脫靶事件的中位突變頻率為0.05%(範圍為0-0.25%)。

4.Nature:鑒別出新型T細胞免疫療法靶點 有望幫助開發抵禦癌癥和自身免疫性疾病的新型療法
doi:10.1038/s41586-020-2246-4

近日,壹項刊登在國際雜誌Nature上題為“CRISPR screen in regulatory T cells reveals modulators of Foxp3”的研究報告中,來自加利福尼亞大學等機構的科學家們通過研究表示,對調節性T細胞進行CRISRP篩選或有望揭示Foxp3分子的調節子,Foxp3是控制Treg細胞(調節性T細胞)發育和功能的關鍵轉錄因子之壹,它的是Treg免疫生物學重要的進步,也為科學家們進壹步了解Treg功能和作用機制打開了壹扇“門”。

這項研究中,研究人員開發出了壹種用於初級小鼠Treg細胞表型研究的基於CRISPR的聯合篩選平臺,同時研究人員利用該技術對大約500和核因子進行了靶向功能缺失的篩選分析,從而識別出能促進或幹擾Foxp3表達的基因調節程序。研究者Jessica T. Cortez說道,我們發現了多個Foxp3表達的調節子,其中就包括泛素特異性肽酶22(Usp22)和環指蛋白20(Rnf20);Usp22是SAGA染色質修飾復合體去泛素化模塊的成員,其能作為壹種正向調節因子來穩定Foxp3的表達,然而,篩選結果表明,作為E3泛素連接酶,Rnf20能夠成為Foxp3的負向調節子。

研究者表示,在小鼠機體中對Usp22進行Treg特異性地剔除或能降低Foxp3蛋白的水平並誘發其抑制性功能的缺失,從而導致自發性自身免疫反應的產生,但在多種癌癥模型中卻能保護機體抵禦腫瘤的生長;在Usp22缺失的Treg細胞中,Foxp3的不穩定或能被Rnf20的剔除來拯救,這就揭示了Treg細胞中或許存在壹種相互的泛素化開關。

5.Nature重大突破:利用CRISPR實現病毒高通量檢測,壹次檢測169種病毒!
doi:10.1038/s41586-020-2279-8

研究人員已經開發出壹種新技術,可以靈活地擴展基於CRISPR的分子診斷學,使用微流體芯片可以同時運行數千個測試。單片芯片的能力範圍可以從壹次在1000多個樣本中檢測壹種單壹類型的病毒,到在少量樣本中搜索160多種不同的病毒,包括COVID-19病毒。


這項技術被稱為核酸多重評估的組合排列反應(Combinatorial Arrayed Reactions for Multiplexed Evaluation of Nucleic acids,CARMEN),研究人員在病人樣本上進行了驗證,當天就能得到結果,將來有壹天可能會用於廣泛的公共衛生工作。


這項研究成果發表在Nature雜誌上,由麻省理工學院Broad研究所和哈佛大學博士後Cheri Ackerman和Cameron Myhrvold共同領導。Broad研究所核心成員、麻省理工學院生物工程系副教授Paul Blainey和哈佛大學教授、Broad研究所成員以及霍華德·休斯醫學研究所研究員Pardis Sabeti是這篇文章的共同通訊作者。


6.Disease Models & Mechanisms:研究揭示罕見病的遺傳機制
doi:10.1242/dmm.041913


在最近壹項研究中,來自弗吉尼亞理工大學的研究者們通過遺傳學手段將壹種罕見的人類疾病與PHETA1基因突變聯系起來。


通過在斑馬魚中使用CRISPR基因組編輯和其他研究工具,科學家發現斑馬魚的PHETA1同源蛋白對於斑馬魚的腎功能和顱面發育至關重要。該研究發表在最新壹期的《Disease Models and Mechanisms》上。

研究作者,生物醫學研究所副教授Albert Pan與美國國立衛生研究院(NIH)團隊合作,研究了與患者相關的突變可能如何影響其臨床表型。

在人類患者中,PHETA1突變會造成發育遲緩,面部和腎臟異常,其PHETA1蛋白發生突變。研究人員在斑馬魚中構建了類似的突變,發現它們與OCRL(Lowe綜合征的致病蛋白)存在有害相互作用。

缺乏類似PHETA1的蛋白質會導致斑馬魚的腎臟生理功能和顱面發育受損,類似於患者的腎臟和顱面特征。斑馬魚的顱面缺陷可能是由組織蛋白酶K失調引起的,該酶負責降解膠原蛋白,並在骨質疏松癥中起作用。

在基因組分析,蛋白質建模,顱面發育的研究過程中,許多研究小組進行了合作。Pan說:“這是壹個復雜的,跨學科的項目,最終融合在壹起。我們將個體的表型與潛在的基因聯系在壹起。我們為醫學科學家提供了定義常見綜合征的起點,並發展了預防和治療方法。”

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