精准编辑基因

p 　　当我们在谈论生命时，我们谈论的都是化学分子。DNA也好，蛋白质也罢，正是这些生物大分子发生的原子重排，才催生出无数生化反应，为地球带来生命。 /p p style=" text-align: center " img title=" 001.JPEG" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/c0bbe2b5-3415-4594-bc51-72b794f474de.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 　　本研究的主要负责人David Liu教授(图片来源：Broad研究所) /strong /p p 　　今日，Broad研究所的华人学者David Liu教授公布了一项了不起的研究!他的团队开发了一种“碱基编辑器”，能在细胞内用简单的化学反应，使DNA的一种碱基进行原子重排，让它变成另一种碱基。与CRISPR-Cas9等流行的基因编辑手段不同，这种技术无需使DNA断裂，就能完成基因的精准编辑。这项研究发表在了顶尖学术期刊《自然》上。 /p p style=" text-align: center " img title=" 002.JPEG" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/25395cd0-f659-4486-b95c-07cbee1c729a.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　 strong 　将近一半的致病变异来源于C-G组合到A-T组合的改变(图片来源：《自然》) /strong /p p 　　要看懂这项研究，我们先来看看DNA本身。我们知道，DNA的双螺旋结构由4种碱基：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)组成。它们A和T配对，C和G配对，就像字母一样，编写了人类的遗传信息。然而由于化学结构的问题，C这个字母不大稳定，容易出现自发的脱氨突变，把原本的好好的C-G组合，变成A-T组合。据估计，每天人类的每个细胞里都会出现100-500次这样的突变。而人类已知的致病单碱基变异，高达一半属于这种突变。 /p p style=" text-align: center " img title=" 003.JPEG" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/3079c9ad-aff8-4c2e-b7ab-54dc17de1cbe.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 　　合适的脱氨反应能将腺嘌呤转变为结构类似于鸟嘌呤的肌苷(图片来源：《自然》) /strong /p p 　　换句话说，如果我们能定点修复这些基因突变，把A-T变回C-G，就有望从根源上纠正人类的许多遗传疾病。这正是Liu教授团队的研究思路。在实验室中，他们观察到了一个很有意思的现象——腺嘌呤(A)在出现脱氨反应后，会变成一种叫做肌苷的分子，而它与鸟嘌呤(G)的结构非常接近，也能成功骗过细胞里的DNA聚合酶。简单的几轮DNA复制后，A-T组合就能变回C-G。 /p p 　　但科学家们遇到一个棘手的问题——自然界中并没有能够在DNA中催化腺嘌呤进行脱氨反应的酶。 /p p 　　如果没有现成的道路，那就开辟一条!在人体中，科学家们发现了一种叫做TadA的酶，它能催化转运RNA上的腺嘌呤(A)，使它脱氨。尽管催化的对象不同，但Liu教授的团队认为它有足够的应用潜力。于是，利用演化的力量，科学家们对TadA进行了改造。他们将编码TadA的基因引入大肠杆菌内，并寄希望于这种酶能在大肠杆菌快速的繁衍中，突变出催化DNA腺嘌呤的能力。 /p p style=" text-align: center " img title=" 004.JPEG" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/77d2e2cb-4181-4432-b16c-f701f36c851b.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　 strong 　本研究中，碱基编辑器的作用机理(图片来源：《自然》) /strong /p p 　　同时，科学家们也想到，DNA上的腺嘌呤特别多，总不能把他们全都转化为鸟嘌呤吧。因此，特异性地对某个碱基进行催化，是这套系统迈入实际应用的关键。Liu教授想到了自己的实验室邻居张锋教授，这名华人学者以CRISPR基因编辑技术而闻名于世。如果我们借助CRISPR-Cas9系统的精准，但不让它切开双链DNA，或许就能定点对腺嘌呤进行原子重排，让它变成另一种碱基。为此，科学家们在筛选TadA酶的过程中，也同样引入了一套切不动DNA的特殊CRISPR-Cas9系统，用于精准定位。 /p p 　　功夫不负有心人!这套系统虽然极为复杂，但在经历了漫长的7代筛选后，Liu教授团队终于开发出了一款全新的“碱基编辑器”，其核心正是能有效针对DNA的TadA酶。无论是在细菌里，还是在人类细胞中，这款编辑器都能顺利发挥作用。在人类细胞里，它的编辑效率超过了50%! /p p style=" text-align: center " img title=" 005.JPEG" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/e1500d56-ca99-4809-932c-2bd6c898751f.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　 strong 　这套系统能有效用于人类细胞(图片来源：《自然》) /strong /p p 　　尽管这套系统利用了CRISPR-Cas9系统，但科学家们在这篇论文里指出，他们开发的技术与CRISPR-Cas9系统各有千秋。在矫正单碱基突变方面，它比CRISPR-Cas9系统更为有效，也更“干净”。它几乎没有引起任何随机插入和删除等突变，在全基因组里的脱靶效应也要好于CRISPR-Cas9技术。要知道，这可是人们对CRISPR-Cas9技术安全性的最大担忧之一。 /p p 　　先前，研究人员们也同样开发了编辑其他碱基的方法。目前，Liu教授的团队已经有了把C变成T，把A变成G，把T变成C，以及把G变成A的工具。诚然，这些工具目前距离人类临床应用还有不小的距离。但要知道，它只涉及碱基的原子重排，无需让DNA双链断裂，从而降低了基因治疗过程中的风险。此外，许多遗传病都是单基因突变，用这些工具进行治疗也显得更为有的放矢。 /p p 　　我们感谢Liu教授的团队为我们带来如此令人兴奋的基因编辑新工具。毫无疑问，基因编辑的时代已经到来，你准备好迎接冲击了吗? /p p 　　参考资料：[1] Programmable base editing of AT to GC in genomic DNA without DNA cleavage /p p & nbsp /p

近日，北京大学神经科学研究所的科学家们在Science Advances 杂志发表了题为Development of a CRISPR-SaCas9 system for projection-and function-specific gene editing in the rat brain的研究论文。该研究基于CRISPR-SaCas9技术，结合腺相关病毒和细胞标记技术，以功能特异性模式实现基因编辑，在实验大鼠的脑中实现了特定记忆的精准删除。在研究中，研究人员对基因编辑靶点和潜在的脱靶位点进行扩增建库并使用基因测序仪MGISEQ-200对扩增产物进行深度测序。测序数据分析结果显示：潜在脱靶位点相对于基因编辑靶点在indel发生率方面至少低两个数量级（图1），同时在单细胞水平上对基因编辑后靶点区域的indel信息进行了验证（图2）。与以往的相关研究报道一致，SaCas9对DNA错配有较高的抗性，在体内能够保证高的靶点特异性。图1 基因编辑靶点和潜在脱靶位点序列及indel发生率图2 基因编辑靶点序列及基因编辑后测序结果展示作为一款小型化的桌面型基因测序仪，MGISEQ-200小巧、灵活，应用广泛，支持基于杂交捕获或多重PCR扩增的靶向测序、小型基因组测序、低深度全基因组测序等多种应用。目前，通过MGISEQ-200获得测序数据并由此展开深入探讨的相关研究已陆续见刊。其中，基于MGISEQ-200深度测序的新冠病毒转录组结构研究于4月份登上了Cell杂志，为全球科学家的后续研究提供参考和依据。小贴士MGISEQ-200已发表文章（精选）[1] 一例基孔肯雅病毒和寨卡病毒混合感染病例的发现.华南预防医学.DOI: 10.13217/j.scjpm.2019.0481[2] Devolopment of a CRISPR-SaCas9 system for projection and function-specific geneediting in the rat brain. Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.aay6687[3] Thearchitecture of SARS-CoV-2 transcriptome. Cell.DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.011

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 人生在世，总有一些事是想望却忘不掉的，对常人来说，可能只是徒增苦恼，对于一些精神疾病的人来说，这些记忆就是他们的“病根”。 strong 删除记忆此前是人们想象出来的，出现在科幻片中的行为，但是一只无法实现，但现在，它成真了！ /strong br/ /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 2020年3月18日， strong 北京大学神经科学研究所的伊鸣研究员和万有教授团队在Science子刊Science Advances在线发表题为 Development of a CRISPR-SaCas9 system for projection- and function-specific gene editing in the rat brain（用于大鼠脑中投射和功能特异性基因编辑的 CRISPR-SaCas9 系统的开发）的论文。 /strong 据悉，基于 CRISPR-Cas9 基因编辑技术， strong 研究人员开发出一种 CRISPR-SaCas9 系统，在实验大鼠的脑中实现了特定记忆的精准删除。 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 566px height: 318px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/95ff1206-e970-46a4-948a-b0a7cdf32dea.jpg" title=" 2e5c86a7cc3e22c.png" alt=" 2e5c86a7cc3e22c.png" width=" 566" height=" 318" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 开发 CRISPR-SaCas9 系统 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 对特定神经元亚群进行稳定的基因操作具有挑战性，这是摆在科研人员面前的一道难题，也是这项研究的出发点。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 实际上，哺乳动物大脑中的复杂神经元网络，是由不同遗传、形态和功能特征的神经元集合形成的。即便是在同一大脑区域内，神经元集合在解剖学或功能上也并不统一，分为不同的亚群，这便是一种“异质性”。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 这一异质性需要对特定神经元集合进行基因编辑——而且，在特定神经元亚型、回路中进行精确的基因操作，对于确定神经元活动和行为之间的关系是至关重要的。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 不过，在具有特定连接或功能特征的神经元亚群中，特别是在大鼠和非人灵长类动物中，实现稳定的基因敲减（Gene knock-down，指通过降解具有同源序列靶基因的 mRNA 阻止基因表达）或基因修饰并非易事。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 而 CRISPR-Cas9 基因编辑技术为研究人员找到了一个突破口。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " CRISPR-Cas9 基因编辑技术，通俗来讲就是，将基因组中的错误位点基因进行“修改”，使人体细胞恢复正常机能。这一技术通过一种名叫 Cas9 的特殊编程的酶发现、切除并取代 DNA 的特定部分，是生物科学领域的游戏规则改变者。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 实际上，有人形象地将& nbsp CRISPR-Cas9 基因编辑技术称为“基因魔剪”，认为基因编辑就是用附带了“导航仪”的基因剪刀对基因进行修饰。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 不过，病毒载体的容量有限，是在神经系统中应用 CRISPR-Cas9 的一个障碍。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 实际上，最常用的一种病毒载体就是腺相关病毒（AAV，adeno-associated virus），它是一类单链线状 DNA 缺陷型病毒。 The Cas9 ortholog from Staphylococcus aureus (SaCas9), by contrast, is more than 1 kb shorter but edits the genome with an efficiency similar to SpCas9 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 而来自化脓性链球菌的高通用性核酸内切酶 Cas9（SpCas9）正是受到 AAV 递送载体的容量（通常小于 4.4-4.7kb）及低效包装的限制。相比之下，来自金黄色葡萄球菌的 Cas9 直系同源物 SaCas9 递送载体的容量比 SpCas9 小 1kb 以上，但基因编辑的效率却相差不大。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 综合上述因素，研究团队提出了一种 CRISPR-SaCas9 系统——基于 CRISPR-Cas9 技术，结合顺行/逆行 AAV 载体和细胞标记技术。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 精准删除大鼠特定记忆 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 实验表明，这一系统实现了大鼠脑中的投射和功能特异性基因编辑。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 具体来讲，研究团队首先诱发了大鼠对 2 个不同实验箱的恐惧记忆，然后通过 CRISPR-SaCas9 系统，精确删除掉了大鼠对其中一个箱子的记忆，而大鼠对另外一个箱子的记忆则完好保留。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/cb55bcb9-6a31-4068-a6ab-02da59e8e16e.jpg" title=" c1cb523e3e51f7b.png" alt=" c1cb523e3e51f7b.png" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 神经元兴奋性和记忆的形成，一种具有组蛋白乙酰转移酶活性的转录辅激活因子是必不可少的，这种激活因子便是内侧前额叶皮层特定神经元亚群中的 cbp（CREB结合蛋白）。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 基于此，该团队将 cbp 作为目标基因，并进行基因敲减，证实了投射和功能特异性 CRISPR-SaCas9 系统在揭示记忆的神经元和回路基础的意义，这也说明 CRISPR-SaCas9 系统的高效率和特异性可广泛应用于神经环路研究。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 同时上述过程也表明，该系统与电生理学、行为分析、流式细胞荧光分选技术 FACS 和深度测序方法相结合，可为生理、病理条件下的脑功能精确基因组干扰提供重要的参考。论文作者之一、北京大学神经科学研究所认知神经科学实验室研究员伊鸣表示： /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 记忆编码与储存很重要，但遗忘负面记忆也同样重要。如果负面记忆过于顽固，有时会带来负担，甚至造成疾病。慢性痛、药物成瘾、慢性应激等疾病，本质上都是患者在经历了疼痛、毒品带来的感觉或压力后，产生了难以清除的、长时间存在的“病理性记忆”。因此，这一系统可能也将为这类疾病的治疗提供新思路。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 删除记忆，道阻且长 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 在这项突破之前，已经有不少科学家做过记忆编辑与删除的相关研究。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 在此前的研究中，科研人员通常会考虑以下几个方面： /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 从研究海马体出发：位于大脑丘脑和内侧颞叶之间，主要功能为记忆处理储存和空间信息处理。20 世纪初就有科学家认识到海马对于某些记忆以及学习有着基本的作用； /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 利用光遗传学技术：使用光控的方法，选择并打开某种生物的特定细胞，旨在激活清醒哺乳动物的单一神经元。在研究大脑与记忆的语境下，这一技术就是采用光线打开或者关闭大脑中神经元组的生物技术； /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 以治疗抑郁症等疾病为目标：抑郁症患者对于负面事件存在记忆偏好，同时对于正面信息却不具备相应的记忆能力。因此，删除负面记忆，将对这一类疾病的治疗起到推动作用。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 实际上，目前已经出现了一些具体的特定记忆消除方法。比如 2019 年 5 月，美国波士顿大学研究团队利用光遗传学技术，对实验大鼠海马体的特定区域进行刺激来实现对消极记忆的“消除”；同年 7 月，澳大利亚皇家墨尔本理工大学开发出一种受光遗传学技术启发的新型类脑芯片，可模仿大脑存储和删除信息的方式。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 不难发现，且不论删除记忆是否会引发新一轮的道德伦理大讨论，从技术的角度看，这一领域仍然有很大的发展空间。 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 那么，如果上述方法有朝一日进入应用阶段，你会选择删除某段记忆吗？ /strong /p