索爾克研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基因編輯的圣杯——第一次將DNA插入目標(biāo)位置的非分裂細(xì)胞的能力，這些細(xì)胞構(gòu)成了成人的大部分器官和組織。研究小組表示，這項(xiàng)技術(shù)能夠部分恢復(fù)失明嚙齒類動(dòng)物的視覺(jué)反應(yīng)，將為基礎(chǔ)研究和視網(wǎng)膜、心臟和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等多種治療開辟新途徑。

索爾克基因表達(dá)實(shí)驗(yàn)室教授胡安·卡洛斯·伊茲皮蘇亞·貝爾蒙特說(shuō):“我們對(duì)我們發(fā)現(xiàn)的這項(xiàng)技術(shù)感到非常興奮，因?yàn)檫@是以前做不到的。”貝爾蒙特是這篇發(fā)表在2016年11月16日《自然》雜志上的論文的資深作者。“這是第一次，我們可以進(jìn)入細(xì)胞，不分裂和修改DNA的意志。這一發(fā)現(xiàn)的潛在應(yīng)用是巨大的。

到目前為止，利用細(xì)胞的正常復(fù)制機(jī)制，修改dna(如CRISPR-Cas9系統(tǒng))的技術(shù)在分裂細(xì)胞(如皮膚細(xì)胞或腸道細(xì)胞)方面最為有效。新的索爾克技術(shù)在將新的DNA整合到細(xì)胞分裂培養(yǎng)基中的效率是其他方法的10倍，這使得它成為一種很有前途的研究和醫(yī)學(xué)工具。但更重要的是，索爾克技術(shù)代表著科學(xué)家首次成功地將一種新基因插入不再分裂的成年細(xì)胞(如眼睛、大腦、胰腺或心臟細(xì)胞)的精確DNA位置，為這些細(xì)胞的治療應(yīng)用提供了新的可能性。

為了達(dá)到這個(gè)目的，索爾克的研究人員瞄準(zhǔn)了一種叫做NHEJ(非同源末端連接)的DNA修復(fù)細(xì)胞通路，這種通路通過(guò)重新連接原鏈末端來(lái)修復(fù)常規(guī)的DNA斷裂。他們將這一過(guò)程與現(xiàn)有的基因編輯技術(shù)進(jìn)行配對(duì)，成功地將新的DNA植入非分裂細(xì)胞的精確位置。

“使用這種NHEJ途徑插入全新的DNA，對(duì)于編輯活體成年生物體的基因組來(lái)說(shuō)是革命性的，”伊茲皮蘇亞貝爾蒙特實(shí)驗(yàn)室(Izpisua Belmonte lab)高級(jí)研究員、論文主要作者之一鈴木敬一郎(Keiichiro Suzuki)說(shuō)。“以前沒(méi)有人這么做過(guò)。”

首先，索爾克團(tuán)隊(duì)致力于優(yōu)化NHEJ機(jī)制，使之與CRISPR-Cas9系統(tǒng)一起使用。CRISPR-Cas9系統(tǒng)允許DNA在基因組中非常精確的位置插入。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)由核酸雞尾酒組成的定制插入包，他們稱之為HITI，或同源獨(dú)立的靶向整合。然后他們用一種惰性病毒將HITI的基因指令包傳遞給從人類胚胎干細(xì)胞中提取的神經(jīng)元。

“這是第一個(gè)表明HITI可能在非分裂細(xì)胞中起作用的跡象，”該研究團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家、聯(lián)合首席作者吳俊(Jun Wu)表示。在他們的努力下，研究小組成功地將這種結(jié)構(gòu)植入成年老鼠的大腦。最后，為了探索使用HITI基因替代療法的可能性，研究小組在色素性視網(wǎng)膜炎的大鼠模型上測(cè)試了這項(xiàng)技術(shù)。色素性視網(wǎng)膜炎是一種遺傳性視網(wǎng)膜變性，會(huì)導(dǎo)致人類失明。這一次，研究小組用HITI向3周大的老鼠的眼睛傳遞了一份Mertk的功能拷貝，Mertk是色素性視網(wǎng)膜炎中受損的基因之一。在大鼠8周大時(shí)進(jìn)行的分析顯示，這些動(dòng)物對(duì)光有反應(yīng)，并通過(guò)了幾項(xiàng)表明視網(wǎng)膜細(xì)胞愈合的測(cè)試。

“我們能夠改善這些失明老鼠的視力，”索爾克研究所的助理研究員、該研究的共同主要作者雷納·赫爾南德斯-貝尼特斯說(shuō)。“早期的成功表明這項(xiàng)技術(shù)非常有前途。”

團(tuán)隊(duì)的下一步將是提高HITI構(gòu)造的交付效率。與所有的基因組編輯技術(shù)一樣，獲得足夠的細(xì)胞來(lái)整合新的DNA是一個(gè)挑戰(zhàn)。HITI技術(shù)的美妙之處在于它適用于任何目標(biāo)基因組工程系統(tǒng)，而不僅僅是CRISPR-Cas9。因此，隨著這些系統(tǒng)的安全性和效率的提高，HITI的實(shí)用性也會(huì)提高。