基因編輯正在徹底改變生物科學(xué)研究領(lǐng)域，并為人體“刪除”疾病帶來了巨大希望。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室正在努力使這項(xiàng)技術(shù)更安全，并確保有一天它可以被送到人體而不會引發(fā)不利的免疫系統(tǒng)反應(yīng)或引起其他不良副作用。桑迪亞生物化學(xué)家Joe Schoeniger解釋說，基因編輯技術(shù)是基于細(xì)菌與試圖攻擊它們的病毒之間的“數(shù)十億年的軍備競賽”。

使用稱為Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats或CRISPR 的系統(tǒng)，細(xì)菌可以保存入侵的病毒DNA 。該系統(tǒng)可幫助細(xì)菌識別病毒，使其在重復(fù)攻擊時(shí)返回。CRISPR系統(tǒng)產(chǎn)生Cas9，一種與有害病毒DNA結(jié)合的酶，然后切割并破壞它。

這種細(xì)菌防御系統(tǒng)可以編程。科學(xué)家們可以將CRISPR-Cas9送到一個精確的位置來改變特定的DNA位。

改變DNA的能力是有用的，特別是在處理遺傳疾病時(shí)，但DNA的改變目前是不可逆轉(zhuǎn)的。使用現(xiàn)有技術(shù)可能會導(dǎo)致意外，危險(xiǎn)和永久的副作用。它可以在錯誤的地方切割基因組(即具有脫靶效應(yīng))，可能導(dǎo)致疾病。

此外，CRISPR-Cas9需要將載體遞送到人體細(xì)胞中。通常，該載體是與稱為腺相關(guān)病毒的普通感冒相關(guān)的病毒。桑迪亞病毒學(xué)家奧斯卡·內(nèi)格雷特認(rèn)為，大多數(shù)人在某些時(shí)候已經(jīng)接觸過這種病毒株。這意味著人們可以快速制造針對它的抗體，使其成為一次性使用的治療方法。Negrete解釋說，即使是第一次使用，患者也可能有免疫反應(yīng)。需要新方法使得治療能夠在必要時(shí)多次成功使用。

控制CRISPR

為了能夠控制CRISPR技術(shù)并在不引起永久性DNA變化的情況下使用它，國防高級研究計(jì)劃局創(chuàng)建了安全基因計(jì)劃。

在安全基因資助下的一項(xiàng)工作是由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的Jennifer Doudna實(shí)驗(yàn)室與桑迪亞以及舊金山加州大學(xué)合作領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)耗資250萬美元，為期兩年的項(xiàng)目。Doudna是CRISPR開發(fā)的先驅(qū)。如果早期的研究富有成果，DARPA可以將這項(xiàng)工作再延長兩年，總計(jì)達(dá)到四年500萬美元。

病毒擅長改變其DNA并產(chǎn)生新的抗CRISPR蛋白以阻斷細(xì)菌免疫系統(tǒng)。這是細(xì)菌病毒“軍備競賽”的另一面。這些蛋白質(zhì)可以起到解毒劑的作用，如果需要，可以關(guān)閉基因編輯器。

Safe Genes團(tuán)隊(duì)利用這些蛋白質(zhì)開發(fā)出可以控制CRISPR脫靶效應(yīng)的抑制劑。Schoeniger說，如果需要給予一劑基因編輯器，可以接著使用一劑抑制劑將其關(guān)閉，從而最大限度地減少可能發(fā)生脫靶效應(yīng)的時(shí)間。

重新裝修貨物

這個安全基因項(xiàng)目建立在桑迪亞正在進(jìn)行的工作的基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目還專注于使用基因編輯來對抗傳染病。

通常，CRISPR系統(tǒng)以DNA為目標(biāo)，但桑迪亞一直在與Doudna團(tuán)隊(duì)合作創(chuàng)建一個以RNA為目標(biāo)的CRISPR系統(tǒng)。Negrete說，直接攻擊病毒RNA可能對大多數(shù)生物安全問題的病原體有效。

已經(jīng)存在靶向RNA的CRISPR系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)導(dǎo)致一般的RNA降解。這種新的RNA靶向系統(tǒng)可以影響特定的人或動物RNA，包括已知編碼有助于病毒感染的蛋白質(zhì)的RNA。“有些蛋白質(zhì)是入侵者的已知門戶，”Negrete解釋道。“如果你通過它們的編碼RNA敲除這些蛋白質(zhì)，病原體就無法進(jìn)入你的細(xì)胞，你也沒有對你的基因組做任何永久性的改變。”

開發(fā)安全的CRISPR應(yīng)用

對于Safe Genes項(xiàng)目，Sandia將測試針對各種病毒的RNA靶向CRISPR技術(shù)。Sandia團(tuán)隊(duì)將將CRISPR傳播給感染各種RNA病毒的哺乳動物細(xì)胞，包括埃博拉和裂谷熱病毒，這些病毒會引起出血熱等癥狀。然后他們將測量治療后細(xì)胞中剩余的病毒水平。“理想情況下，我們希望將病毒水平降至零。如果不是，則必須修改CRISPR技術(shù)，”Negrete說。

此外，加州大學(xué)舊金山分校的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)CRISPR衍生技術(shù)轉(zhuǎn)基因和關(guān)閉不編輯DNA。對于該應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)正在利用CRISPR進(jìn)行靶向DNA甲基化。DNA甲基化是基因表達(dá)調(diào)節(jié)的非破壞性機(jī)制，其在整個哺乳動物生命周期中自然發(fā)生。

Negrete相信這項(xiàng)工作如果成功，將代表病毒學(xué)的一次巨大飛躍，因?yàn)樾碌腃RISPR技術(shù)將以多種方式攻擊疾病。目前，疫苗靶向單一病毒株。桑迪亞的安全基因項(xiàng)目正致力于針對所有病毒株的解決方案，以及尋找修復(fù)受感染宿主和人類細(xì)胞的方法。“為每一個蟲子創(chuàng)造新的治療方法很麻煩，對于迅速應(yīng)對新出現(xiàn)的威脅是不可行的。對每一種出現(xiàn)的菌株以及所有相關(guān)病毒進(jìn)行一次治療 - 這是一個更好的策略，”Negrete說。 。“這就像用鉛筆橡皮擦消除一個字母到達(dá)控制-A并刪除整個段落的跳躍。”