許多危及生命的疾病僅通過改變通用遺傳DNA編碼中的單核苷酸構件而引起或加劇。這種“點突變”可以將人體內(nèi)的單個細胞轉變?yōu)槔^續(xù)生長成腫瘤的癌細胞，或者它們可以將抗生素敏感性變成抗生素抗性細菌，從而導致無法治愈的感染。在理想的世界中，臨床醫(yī)生能夠在創(chuàng)建細胞后立即去除具有這種有害點突變的細胞，從而更有效地對抗疾病。

Wyss生物啟發(fā)工程研究所的一個研究小組現(xiàn)在在美國國家科學院院刊(PNAS)上報道，它通過將CRISPR / Cas9基因組工程系統(tǒng)轉換為基因組監(jiān)測工具，實現(xiàn)了實現(xiàn)這一目標的第一步。由Wyss研究所核心學院成員喬治·丘奇和詹姆斯·柯林斯領導的研究人員開發(fā)了一種體內(nèi)突變預防方法，該方法能夠使DNA切割Cas9酶區(qū)分基因組靶位點，這些位點不同于單個核苷酸，并專門切割不需要的基因組。在細菌大腸桿菌中進行的概念驗證研究在培養(yǎng)物或小鼠胃腸道中生長的菌株，該方法可以防止抗生素抗性變體的存活。

通過具有互補序列的小指導RNA將Cas9酶引導至其基因組靶序列。一旦在感興趣的基因上定位，Cas9就像一把分子剪刀，在一個確定的位置切割目標序列。如果修復，這種故意引入的損傷允許生物學家編輯細胞的基因組，但如果不修復，它將導致細胞死亡。然而，盡管該系統(tǒng)在許多生物的基因組中發(fā)現(xiàn)和切割目標序列的有效性，但是讓Cas9在次要而非完全相同的位點隨機切割的非特異性活性仍然給基因組工程師帶來了問題。這也意味著攜帶不希望的點突變的靶序列通常不能被Cas9與其正常對應物充分區(qū)分并被選擇性地除去。

“通過專注于指導RNA特征，我們的方法大大提高了Cas9的特異性，可以明確區(qū)分單核苷酸多態(tài)性和消除不需要的遺傳變異，”George Church博士說，他也是遺傳學教授。哈佛醫(yī)學院(HMS)和哈佛大學健康科學與技術學院和麻省理工學院(MIT)。“我們的方法開辟了一種全新的方式來思考未來的疾病預防。”

以前的研究表明，矛盾的是，指導RNA與其靶序列之間的某些錯配不會影響Cas9切割DNA中特定位點的能力。“我們假設對于給定的一對點突變不同的靶標，可以在指導RNA中發(fā)現(xiàn)一組錯配，這將消除Cas9對正常序列的活性，同時保持對具有有害點突變的活性的強烈活性。這項研究的第一位也是共同通訊的作者亞歷杭德羅·查韋茲博士說，這將阻止一個細胞在出生后立即出現(xiàn)寒冷的細胞，他是HMS的博士后研究員。由Church和Collins指導，現(xiàn)任哥倫比亞大學助理教授。

為了開發(fā)他們的方法，該團隊利用細菌酶中發(fā)生的已知點突變，為病原體提供抗生素抗性。通過關注這些突變中的一些并通過具有不同錯配組合的指導RNA變體進行篩選，他們能夠鑒定刺激Cas9對突變基因序列的活性但未接觸正常對應物的特異性指導RNA。

“突變預防系統(tǒng)不僅在標準實驗室條件下培養(yǎng)的大腸桿菌菌株中保持抗生素敏感性，而且還在用于定殖生殖小鼠胃腸道的細菌中保持抗生素敏感性。這些多日小鼠實驗涉及持續(xù)抗生素給藥并證明即使面臨潛在的重大環(huán)境壓力，該系統(tǒng)也非常強大，“共同第一作者Benjamin Pruitt說道，他是Wyss研究所前任職員研究科學家，現(xiàn)在是ReadCoor公司的首席研發(fā)工程師。

除了具有未來疾病預防的潛力外，研究人員還認為，他們的突變預防系統(tǒng)可以更直接地用于幫助生物技術產(chǎn)業(yè)保護大規(guī)模培養(yǎng)物免于獲得使其無效或易于污染的突變，并研究微生物進化。

“這一策略使我們有機會研究微生物的進化機制。例如，我們現(xiàn)在能夠預防經(jīng)常發(fā)生的賦予抗生素抗性的突變，并詢問哪些其他遺傳變化可能導致相同的結果。這可能會提高我們對阻力機制并可能提供新的治療切入點，“詹姆斯柯林斯博士說，他也是麻省理工學院(麻省理工學院)醫(yī)學工程與科學的Termeer教授和麻省理工學院生物工程教授。

“Wyss研究所的這項合作努力已經(jīng)在CRISPR / Cas9領域實現(xiàn)了全新的創(chuàng)新，可以為全新的方法預防和治療各種疾病，”Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber博士說。 ，博士，同時也是HMS血管生物學的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學項目，以及哈佛John A. Paulson工程與應用科學學院的生物工程教授。