為了詳細(xì)探究特定遺傳錯誤如何導(dǎo)致疾病，科學(xué)家們需要在攜帶這些精確突變的細(xì)胞中進(jìn)行實驗。現(xiàn)在，由于洛克菲勒大學(xué)的研究人員的工作，使用新的基因組編輯技術(shù)創(chuàng)建這些細(xì)胞復(fù)制品的能力得到了促進(jìn)。以前，這項備受關(guān)注的CRISPR-Cas9系統(tǒng)技術(shù)無法有效和準(zhǔn)確地進(jìn)行更改，足以被科學(xué)界廣泛使用。

“這種新方法使研究人員能夠更直接地將基因致病的基因插入到細(xì)胞中，從而開發(fā)出更接近模仿人體內(nèi)條件的細(xì)胞模型 - 為生物醫(yī)學(xué)研究創(chuàng)造更廣泛的機會大腦作者M(jìn)arc Tessier-Lavigne，腦發(fā)育和修復(fù)實驗室負(fù)責(zé)人，大學(xué)校長Marc Tessier-Lavigne表示，這是一種令人虛弱或致命的狀況。

在最近在Nature上描述的工作中，該團(tuán)隊?wèi)?yīng)用他們的技術(shù)來產(chǎn)生看起來像阿爾茨海默病患者大腦中的神經(jīng)元。

使基因編輯更可靠

多年來，研究人員設(shè)計了許多模擬實驗室培養(yǎng)細(xì)胞疾病的策略。當(dāng)試圖將細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ㄈ祟惣膊〉哪Ｐ蜁r，研究人員希望切割DNA以用替代品替換現(xiàn)有的序列。

隨著源自細(xì)菌免疫防御系統(tǒng)的CRISPR-Cas9系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們獲得了一種精確且容易地切割細(xì)胞DNA的新工具。然而，迄今為止，一些顯著的缺點阻礙了科學(xué)家使用它來設(shè)計受疾病影響的細(xì)胞。

該研究的共同作者洛克菲勒博士后Dominik Paquet和研究生Dylan Kwart首先嘗試使用CRISPR-Cas9插入兩個與淀粉樣蛋白β(一種與阿爾茨海默病有關(guān)的蛋白質(zhì))生成相關(guān)的基因突變。他們的成功率最初是令人沮喪的，只有極少數(shù)細(xì)胞攜帶所需的基因版本，沒有新的錯誤。

主要問題是CRISPR-Cas9不斷地一次又一次地切割細(xì)胞的DNA，細(xì)胞自身的修復(fù)機器修復(fù)每次切割，直到它出現(xiàn)錯誤，阻止進(jìn)一步切割。這些錯誤可能會給細(xì)胞帶來新的，意想不到的問題。

該研究小組還包括來自紐約干細(xì)胞基金會研究所的科學(xué)家，評估了該領(lǐng)域科學(xué)家已經(jīng)討論了一段時間的方法：引入阻斷突變以防止在第一片切片后進(jìn)一步切割。通過將這些嵌段引入CRISPR-Cas9靶向檢測所需的兩個不同DNA區(qū)域之一，它們能夠顯著降低意外錯誤。

僅針對一個基因拷貝

錯誤不是唯一的問題。像我們細(xì)胞中的所有基因一樣，那些涉及阿爾茨海默氏癥的基因存在兩個拷貝，患者通常攜帶一個正?？截惡鸵粋€突變拷貝。這給研究人員帶來了一個問題，因為沒有辦法告訴CRISPR-Cas9只編輯一個基因拷貝而另一個只留下另一個。

當(dāng)研究小組密切關(guān)注使用CRISPR-Cas9添加兩種阿爾茨海默氏癥突變產(chǎn)生的序列時，他們發(fā)現(xiàn)了一種似乎圍繞距離旋轉(zhuǎn)的模式 - 即CRISPR-Cas9產(chǎn)生其的位點之間的序列長度切割和他們打算引入受體細(xì)胞的突變。

“我們發(fā)現(xiàn)較短的距離產(chǎn)生的細(xì)胞更可能包含兩個突變基因拷貝。隨著距離的增加，編輯不太成功，并且，一個突變體和一個原始版本的百分比進(jìn)一步達(dá)到峰值，”Kwart說。“我們期望基于先前工作的距離效應(yīng)，但重要的是，我們發(fā)現(xiàn)距離關(guān)系是非常刻板的，并且通過依賴它，可以產(chǎn)生大部分雜合細(xì)胞，其中只有一個基因拷貝是以可預(yù)測的方式改變了。“

通過這種策略，研究人員編輯了干細(xì)胞的基因組，以包含兩個阿爾茨海默氏癥基因中的任何一個的副本。然后，他們誘使這些細(xì)胞成為神經(jīng)元，產(chǎn)生大量淀粉樣蛋白β，就像阿爾茨海默病一樣。

“以前，沒有簡單的方法來控制CRISPR-Cas9的編輯是否產(chǎn)生了導(dǎo)致某些條件的雜合突變，”Paquet說。“通過描述距離的作用，我們澄清了一個重要的規(guī)則，用這個系統(tǒng)控制基因組編輯，并在此過程中為它開辟了一個新的潛在用途。”