被稱為CRISPR的基因組編輯技術(shù)允許科學(xué)家剪切特定的DNA序列并將其替換為新序列，從而有可能治愈由缺陷基因引起的疾病。然而，為了實(shí)現(xiàn)這一潛力，科學(xué)家必須找到一種方法來安全地將CRISPR機(jī)制和DNA的校正拷貝遞送到患病細(xì)胞中。

麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種比以前更有效地提供CRISPR基因組修復(fù)組件的方法，他們也相信它可能對(duì)人類使用更安全。在對(duì)小鼠的一項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)他們可以糾正導(dǎo)致罕見肝臟疾病的突變基因，占6%的肝細(xì)胞 -足以治愈這種疾病的老鼠，即所謂的酪氨酸血癥。

“這一發(fā)現(xiàn)確實(shí)令我們興奮，因?yàn)樗屛覀冋J(rèn)為這是一種基因修復(fù)系統(tǒng)，可用于治療一系列疾病 - 不僅僅是酪氨酸血癥，還有其他疾病，”麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系副教授Daniel Anderson說。和麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所(IMES)的成員。安德森是2月1日出版的“ 自然生物技術(shù) ” 雜志上一篇論文的高級(jí)作者之一。馬雪，馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)助理教授，也是資深作者。該論文的第一作者是科赫研究所的研究科學(xué)家郝寅。

查找和替換

CRISPR系統(tǒng)依賴于細(xì)菌用于保護(hù)自身免受病毒感染的細(xì)胞機(jī)制。研究人員之前已經(jīng)利用這個(gè)系統(tǒng)來創(chuàng)建基因編輯復(fù)合物，該復(fù)合物由稱為Cas9的DNA切割酶和短RNA組成，該酶將酶引導(dǎo)至基因組的特定區(qū)域，指導(dǎo)Cas9在哪里進(jìn)行切割。

當(dāng)Cas9和靶向疾病基因的短指導(dǎo)RNA被遞送到細(xì)胞中時(shí)，在基因組中進(jìn)行特異性切割，并且細(xì)胞的DNA修復(fù)過程將切割粘合在一起，通常刪除一小部分基因組。然而，如果在切割時(shí)也傳遞了基因的校正拷貝，則DNA修復(fù)可以導(dǎo)致疾病基因的校正，從而永久地修復(fù)基因組。

2014年，Anderson及其同事描述了首次使用CRISPR修復(fù)成年動(dòng)物的疾病基因。在那項(xiàng)研究中，他們能夠治愈小鼠的酪氨酸血癥。然而，遺傳組分的遞送需要高壓注射，這種方法也可能對(duì)肝臟造成一些損害。

“這是使用CRISPR / Cas9在成年動(dòng)物中進(jìn)行基因修復(fù)的首次證明，”安德森說。“我們對(duì)這次演示感到非常興奮，但我想找到一種方法來開發(fā)一種更安全，更有效的修復(fù)機(jī)械藥物形式。”研究人員還希望提高替換缺陷基因的細(xì)胞百分比。在之前的研究中，大約每250個(gè)肝細(xì)胞中就有一個(gè)被修復(fù)，這足以成功治療酪氨酸血癥。然而，對(duì)于許多其他疾病，需要更高百分比的修復(fù)來提供治療效果。

在這項(xiàng)新研究中，Anderson及其同事開發(fā)了納米粒子和病毒傳遞系統(tǒng)，以提供CRISPR修復(fù)機(jī)制。首先，他們從脂質(zhì)和編碼Cas9酶的信使RNA(mRNA)中創(chuàng)建了納米粒子。另外兩個(gè)組分--RNA引導(dǎo)鏈和校正基因的DNA - 嵌入基于腺相關(guān)病毒(AAV)的重編程病毒顆粒中。

研究人員首先在脂質(zhì)納米顆粒前一周注射病毒，讓肝細(xì)胞有時(shí)間開始產(chǎn)生RNA引導(dǎo)鏈和DNA模板。當(dāng)注射攜帶Cas9 mRNA鏈的納米顆粒時(shí)，細(xì)胞開始產(chǎn)生Cas9蛋白，但僅僅幾天，因?yàn)閙RNA最終降解。這足以進(jìn)行基因修復(fù)，但可防止cas9在細(xì)胞中徘徊并可能破壞細(xì)胞基因組的其他部分。“有一些擔(dān)心，如果你的細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間存在Cas9，可能會(huì)導(dǎo)致一些基因組不穩(wěn)定，”安德森說。“我們認(rèn)為使用mRNA納米粒子可以確保酶長(zhǎng)時(shí)間不存在，從而提供額外的安全性。”

高精確度

使用這種方法，大約十分之一的細(xì)胞具有基因校正，比2014年的研究提高了15倍。研究人員還發(fā)現(xiàn)，與Cas9基因整合到細(xì)胞基因組中的方法相比，這種方法產(chǎn)生的脫靶DNA切割更少。“我們進(jìn)行了基因組規(guī)模分析，我們的目標(biāo)效應(yīng)非常高，但幾乎沒有脫靶效應(yīng)，”Yin說。

安德森的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了類似的脂質(zhì)納米粒子，目前正在臨床開發(fā)中。AAV病毒顆粒正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)以用于其他目的，使得研究人員樂觀地認(rèn)為這種CRISPR遞送方法可用于人類，盡管需要更多的研究。

研究人員申請(qǐng)了這項(xiàng)技術(shù)的專利，他們認(rèn)為這些專利可用于治療多種疾病，尤其是肝臟疾病。“有一系列代謝疾病和其他肝臟疾病，如果你修復(fù)突變基因，你可能真的能夠?qū)θ祟惤】诞a(chǎn)生影響，”安德森說。“看到我們的團(tuán)隊(duì)為CRISPR開發(fā)這種新的交付方法真的很令人興奮，我相信這有可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，”麻省理工學(xué)院David H. Koch研究所教授，該論文作者羅伯特蘭格說。