基因编辑:CRISPR 的竞争者太多,不止有NgAgo!

医疗健康 来源:科研圈(微信号 keyanquan) 作者:Heidi Ledford 翻译:赵琳
2016
08/31
09:28
科研圈(微信号 keyanquan)
作者:Heidi Ledford 翻译:赵琳
医疗健康

利用 CRISPR-Cas9 技术,科学家们已经可以随心所欲地对基因组进行编辑。和之前的技术相比,它简单、廉价、用途广泛。全世界从事医学与基础科学研究的实验室都对它充满兴趣,不断拓展它的应用。

然而,尽管如此,CRISPR-Cas9 并不完美。加利福尼亚大学圣迭戈分校的生物工程学家 Prashant Mali 认为,“这个系统寻找基因组中指定位置并对其进行精确切割的能力十分出色,”但有时,我们需要的不止这些。“

CRISPR-Cas9 系统的局限性推动着寻找其替代者的工作。今年年初,研究者将目光投向了另一个可能也可以执行基因编辑的系统,NgAgo。哈佛医学院的遗传学家 George Church 表示:新技术都是脆弱的,随时可能被取代。

然而,NgAgo 并不是唯一一种新型的基因编辑工具。这些新工具中,有些改良自 CRISPR 系统;另一些则提供了全新的模式。

1、迷你版 Cas9

在将来,CRISPR-Cas9 系统可能会用于基因疗法,改写遗传疾病的相关基因。基因疗法通常使用病毒作为载体,将外源遗传物质运载进入人体细胞。而病毒基因组容量有限,很难容纳 CRISPR-Cas9 系统的全部组分——Cas9 酶,以及引导用的单链 RNA。

一种迷你型 Cas9 酶的发现有可能解决这一问题【1】。这个迷你版来自金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus),它的序列足够短,可以压缩进当前用于基因疗法的病毒中。去年12月,两个研究组利用迷你版 Cas9 修正了小鼠体内的杜兴氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy)的相关基因【2,3】。

2、Cas9 的姐妹们

Cas9 并不能切割所有的序列,只有当靶向序列附近存在一段特定的 DNA 序列时,这段序列才能被特异性地切割。这个要求在大部分基因组中都能满足,但对某些实验来说却构成阻碍。研究者们希望能够在微生物中找到 Cas9 的姐妹,在切割过程中它们所需的附近序列与 Cas9 不同,这将可以拓展 CRISPR 系统的应用范围。

Cpf1 就是这样一种酶。它比 Cas9 小,所需要的靶向序列附近的特定 DNA 序列与 Cas9 不同并且高度特异【4,5】。

Cas9 的另一个姐妹 C2c2 则可以切割 RNA 而非 DNA ,这一特性可以用于 RNA 相关领域的研究,或者用来抵御 RNA 病毒【6】。

3、真正的基因编辑,不只是敲除

在许多实验室里,CRISPR-Cas9 只用来做基因敲除。Church 说:”人们想宣告说这就是基因编辑,然而烧掉书中的某一页并不等于是在编辑这本书。“

比基因敲除更难的,是将一段序列替换为另一段序列。Cas9 切割 DNA 后,细胞中的修复机制常常会错误地将打断的末端连在一起,从而实现基因敲除。

想要改写 DNA 序列的研究者,则希望另外一种修复机制发生,将一段新的 DNA 序列插入到基因组中,然而这种机制发挥作用的几率远小于直接连接。明尼苏达大学的植物科学家 Daniel Voytas 说:”所有人都说,在未来我们将可以一次性编辑多个基因。但我认为,我们现在甚至还不能高效地完成‘一次真正的基因编辑’。“

然而,过去几个月中的进展为 Voytas 带来了希望。今年4月有研究者宣布,他们将失活的 Cas9 与一个可以制造 DNA 点突变的酶连接在了一起。失活的 Cas9 仍然可以定位于引导RNA 所指定的序列,但无法完成切割。而此时,与之相连的酶可以制造点突变,将 C 突变为 T 【7】今年8月发表于 Science 杂志的另一篇论文也报道了类似的结果【8】。

Voytas 等人对类似的尝试表示了期待,将失活 Cas9 与不同的酶相连接,可能会完成更丰富多变的序列改变。

4、进击的 Argonautes

今年五月,发表在 Nature Biotechnology 上的一篇论文【9】报道了一个全新的基因编辑系统。研究者声称能够使用 NgAgo 蛋白在指定位点上切割 DNA ,这个过程使用与目标序列互补的短链 DNA,而非 RNA 作为引导,并且不要求切割位点附近存在某种特异性的序列。

这个发现掀起了一股热潮,不少人认为 CRISPR-Cas9 将会被取代。但目前为止,其他实验室都未能重现该结果。首尔基础科学研究所的基因工程学家 Jin-Soo Kim 认为,即便如此,人们还没有放弃希望,来源于其他细菌的 Argonautes 家族蛋白(NgAgo 是 Argonautes 蛋白家族的成员)有可能会提供新的思路。

5、更多可能

其他的基因编辑系统也正在建设中,然而它们中的一部分在过去多年中都进展缓慢。在一个致力于在细菌中进行基因编辑的大规模项目中,Church 的研究组并没有选择 CRISPR 系统。他们主要使用的是一个名为”lambda Red“的系统,经过编码,它可以用来编辑特定的 DNA 序列,而这个过程不需要引导 RNA 的存在。Church 的研究组已经在 lambda Red 系统的研究上花费了13年的时间,但是这个系统依旧只能在细菌中发挥作用。

Church 与博德研究所的生物工程学家张锋都提到,他们的实验室正在研究可以用于基因编辑的整合酶(integrases)与重组酶(recombinases)。张锋说:”通过对多种酶进行探索,我们可以得到一个更强的基因组编辑工具箱。我们必须继续探索未知。“

参考文献

1. In vivo genome editing using Staphylococcus aureus Cas9. F. A. Ran  et al. Nature 520, 186-191 (2015)。

2. In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Nelson, C. E. et al. Science 351, 403–407 (2016)。

3. In vivo gene editing in dystrophic mouse muscle and muscle stem cells. Tabebordbar, M. et al. Science 351, 407–411 (2016)。

4. Genome-wide analysis reveals specificities of Cpf1 endonucleases in human cells. Kim, D. et al. Nature Biotechnol. (2016)。

5. Genome-wide specificities of CRISPR-Cas Cpf1 nucleases in human cells. Kleinstiver, B. P. et al. Nature Biotechnol. (2016)。

6. C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector. Abudayyeh, O. O. et al. Science 353, aaf5573 (2016)。

7. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Komor, A. C., Kim, Y. B., Packer, M. S., Zuris, J. A. & Liu, D. R. Nature 533, 420–424 (2016)。

8. Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems . Nishida, K. et al. Science (2016)。

9. DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute. Gao, F. et al. Nature Biotechnol. 34, 768–773 (2016)。

原文检索

Beyond CRISPR: A guide to the many other ways to edit a genome

来源:科研圈(微信号 keyanquan)   作者:Heidi Ledford 翻译:赵琳

为你推荐

迈博智星完成近亿元天使轮融资,全力推进创新抗体药物研发与管线布局资讯

迈博智星完成近亿元天使轮融资,全力推进创新抗体药物研发与管线布局

本轮融资由龙磐投资领投,巢生资本、沂景资本和元生创投共同参与投资,元燚资本担任独家财务顾问

2026-03-23 18:04

赛诺菲中国研发中心全面战略升级资讯

赛诺菲中国研发中心全面战略升级

成立公司在华规模最大的转化医学研究中心,实现全球协作与本地产学研深度融合

2026-03-23 17:57

赶早赴约,忆路守护 礼来携手清华大学阿尔茨海默病科普创意大赛圆满收官资讯

赶早赴约,忆路守护 礼来携手清华大学阿尔茨海默病科普创意大赛圆满收官

今日,由礼来主办,清华大学承办的 “赶早赴约,忆路守护” 阿尔茨海默病(AD)科普创意大赛颁奖典礼在清华大学圆满落幕。

2026-03-23 17:48

健康小美+蚂蚁阿福,美年健康与蚂蚁健康推动AI医疗深度合作资讯

健康小美+蚂蚁阿福,美年健康与蚂蚁健康推动AI医疗深度合作

3月23日,美年健康与蚂蚁健康宣布达成全面战略合作。双方将依托美年长期沉淀的专业健康数据体系、覆盖全国的线下医疗服务网络,以及医学检测设备与标准化医疗服务能力所构成的这...

2026-03-23 17:06

迪哲医药舒沃哲单药一线治疗EGFR exon20ins非小细胞肺癌国际多中心III期临床试验获阳性顶线结果资讯

迪哲医药舒沃哲单药一线治疗EGFR exon20ins非小细胞肺癌国际多中心III期临床试验获阳性顶线结果

3月23日,迪哲医药发布公告称,其自主研发的产品舒沃哲(ZEGFROVY,通用名:舒沃替尼片)单药一线治疗表皮生长因子受体(EGFR)20 号外显子插入突变(exon20ins)晚期非小细胞...

2026-03-23 10:45

远葆医疗完成数千万元天使轮融资,布局神经康复与脑机接口领域资讯

远葆医疗完成数千万元天使轮融资,布局神经康复与脑机接口领域

本轮融资由上海科创集团旗下知识产权基金独家战略投资

2026-03-22 19:10

全球首创!蠕形螨睑缘炎创新眼药GPN01768国内正式获批资讯

全球首创!蠕形螨睑缘炎创新眼药GPN01768国内正式获批

GPN01768是美国FDA批准的首款、全球首创、也是目前全球唯一专门用于治疗蠕形螨睑缘炎的药物

2026-03-22 18:58

拓展入境健康消费,探索建设国际医疗旅游集聚区资讯

拓展入境健康消费,探索建设国际医疗旅游集聚区

统筹中国游、中国购、中国学、中国医等多维体验,系统构建“你好!中国”国家旅游形象,打造“中国游”品牌。

2026-03-21 20:47

DRG/DIP 3.0 的最新消息资讯

DRG/DIP 3.0 的最新消息

2026年3月19日上午,国家医保局开展按病种付费分组方案3 0版调整情况介绍活动。

2026-03-20 22:32

创新“无棉”静音技术,可孚医疗发布首款智能呼吸机资讯

创新“无棉”静音技术,可孚医疗发布首款智能呼吸机

3月20日,正值世界睡眠日到来之际,可孚医疗隆重举行呼吸机新品发布会,正式推出行业率先实现的无消音棉超静音AI智能呼吸机——C11。

2026-03-20 19:02

NVIDIA GTC 大会重磅发布:以 AI 与算力赋能药物研发全链路创新资讯

NVIDIA GTC 大会重磅发布:以 AI 与算力赋能药物研发全链路创新

在 GTC 大会上,NVIDIA 集中展示了其在制药与生命科学领域的核心技术成果与深度行业合作

2026-03-20 14:21

深耕肾病与代谢领域,炫景生物完成超2亿元Pre-A轮融资资讯

深耕肾病与代谢领域,炫景生物完成超2亿元Pre-A轮融资

本轮融资由康君资本领投,德联资本、华泰金斯瑞基金、金易赋新、国海创新资本、联想创投等机构联合参投,现有股东元希海河继续跟投

2026-03-20 13:52

先衍生物完成1.5亿元A轮融资,加速小核酸药物核心技术突破与管线推进资讯

先衍生物完成1.5亿元A轮融资,加速小核酸药物核心技术突破与管线推进

本轮融资由道远资本领投,启申创投联合领投,嘉乐资本、成都科创投集团、四川省中试研发有限公司、厦门高新投、增锐铭禾等机构跟投,同时成都先导、银满基金、怀格资本、钧天创...

2026-03-20 13:48

聚焦“三高一疹”共病联防,“乐龄健康第一课”全面升级、在沪开讲资讯

聚焦“三高一疹”共病联防,“乐龄健康第一课”全面升级、在沪开讲

多领域专家齐聚沪上“文化会客厅”,共话“小处方”背后的温情守护

2026-03-20 13:32

华海药业PD-L1/VEGF将正式启动子宫内膜癌的Ⅲ期临床试验资讯

华海药业PD-L1/VEGF将正式启动子宫内膜癌的Ⅲ期临床试验

3月19日,华海药业发布公告称,近日,下属子公司上海华奥泰生物药业股份有限公司就HB0025联合化疗一线治疗晚期 复发子宫内膜癌经过与国家药品监督管理局药品审评中心(CDE)Ⅱ...

2026-03-20 10:40

天宜康医药完成逾亿元种子轮融资,汪文博士领衔攻坚CAR-T行业核心痛点资讯

天宜康医药完成逾亿元种子轮融资,汪文博士领衔攻坚CAR-T行业核心痛点

本轮融资由弘毅投资和幂方健康基金共同领投,苏创投、承树投资、英贤投资及毅达资本跟投

2026-03-19 13:19

爱尔康披露关键数据:全球老视矫正型人工晶体植入量超600万枚,人工晶体植入总量突破1.75亿枚资讯

爱尔康披露关键数据:全球老视矫正型人工晶体植入量超600万枚,人工晶体植入总量突破1.75亿枚

全球人工晶体(IOL)植入技术在临床应用中不断取得新进展,为患者术后视觉质量的提升提供了更多可能性。

2026-03-19 13:08

赛诺菲首个中国创新与运营中心落户成都资讯

赛诺菲首个中国创新与运营中心落户成都

汇聚本土人才,赋能数字生态,共促医药创新转型升级

2026-03-19 13:04

沃森生物明天复牌,实控人变更资讯

沃森生物明天复牌,实控人变更

公司控股股东将变更为腾云新沃,实际控制人变更为黄涛,自此沃森生物结束16年的无实际控制人状态。

2026-03-18 23:09