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日渐成熟的DNA编辑技术

说起基因编辑总绕不开著名学者张峰和JenniferDoudna教授共同发现的CRISPR基因编辑系统,当然还有围绕这项重要技术专利展开的“爱恨情仇”。

在CRISPR系统中,利用Cas9蛋白和guideRNA就可以实现精准的基因编辑。

英国已故理论物理学家斯蒂芬.霍金的遗作《对大问题的简明回答》中暗示到:在不久的将来,富人可以选择编辑他们自己和孩子的DNA,让自己和孩子变成拥有更强记忆力、抗病力、智力和更长寿命的“超人”。虽然法律可能会禁止对人类做基因改造,但是一些人可能抵挡不住改善记忆、抗病力、寿命等人类特征的诱惑。在他的预计中人类本世纪就能发现通过改造基因提高智力的技术。让他忧虑的是一旦出现基因改造而成的“超人”,“没得到改造的人类”可能无法竞争,逐渐绝迹,或者变得“不重要”,人类会展开“自我设计”的竞争。

霍金并不是危言耸听,因为从技术角度来讲,实验动物上已经表明完全可行。所以CRISPR/Cas9基因编辑技术发明人之一、加州大学伯克利分校著名微生物学家JenniferDoudna教授在TED关于基因改编的演讲中大声呼吁“暂停CRISPR/Cas9技术在人体胚胎中的临床应用。

很不幸,年11月26日,潘多拉魔盒被南方科技大学的贺建奎打开,一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿于当年11月在中国诞生,这对双胞胎的CCR5基因被修改编辑,而CCR5基因是HIV病毒入侵机体细胞的主要辅助受体之一。按照设想,这两对婴儿能天然免疫HIV病毒。随后,位科学家联合声明谴责,因为CRISPR/Cas9技术容易脱靶的不确定性,基因敲除后的附带影响,还有一些潜在的巨大风险,对人类伦理的巨大挑战等等,贺建奎的行为遭到学术界的普遍抵制和批评。但不能否认,第三代基因技术CRISPR/Cas9被发明以来,它已在全球各地分子生物实验室里广泛地应用。基于该技术可精准地靶向目标基因进行精确地修饰,可以将其应用于疾病的动物模型构建、由点突变引起的疾病的治疗,甚至还可以利用该工具对胚胎细胞的基因进行精确地编辑。CRISPR/Cas9将在医学应用发挥巨大的作用,特别是遗传性疾病和罕见病等不治之症。

可逆的RNA编辑

与DNA编辑造成的永久化变化不同的是,RNA编辑因为其可逆性的特点,在临床应用上有着巨大的想象空间。这种治疗模式对只需要暂时治疗疼痛或炎症提供了一条新的思路。举个例子:让我们假设一下,当前全国人民众志成城抗击的新型冠状病毒肺炎其发病机理是病毒表达的S蛋白能靶向肺上皮细胞的ACE2基因,从而入侵细胞,引发炎症。如果RNA编辑可以暂时性改造ACE2基因使S蛋白不能有效靶向,那是不是就关闭了病毒入侵细胞的大门?或者该病毒的遗传物质是RNA,序列特异性的编辑能不能改变S蛋白的结构?同时因为只是在RNA水平改造,其安全性非常高。小榴莲举这个例子可能并不十分恰当,但是,意在说明:RNA编辑技术,在医学应用上想想空间非常大。

在过去的年,在scopus上(当今世界最大的文摘和引文数据库)有篇以上的研究被发表,也有少数创业公司对RNA编辑技术摩拳擦掌,跃跃欲试。

比如19年1月,雷特综合征研究信托基金(RettSyndromResearchTrust,RSRT)授予多家学术实验室万美元,开发治疗雷特综合征的RNA编辑疗法。雷特综合征是由于基因突变,导致名为MeCP2的蛋白水平不足。RNA编辑可能帮助修复产生蛋白的蓝图。对于像雷特综合征这样的遗传病来说,RNA编辑疗法需要重复给患者施药,而基因疗法和基因编辑疗法可能达到一劳永逸的治疗效果。然而,在细胞中产生适量的MeCP蛋白非常重要,不能太多,也不能太少,俄勒冈健康与科学大学(OregonHealthandScienceUniversity)的GailMandel博士说。将转基因引入体内的基因疗法可能有生成过多MeCP2的风险,RNA和DNA编辑疗法可以避开这一风险。

一路走来,RNA编辑正当时

早在年,RibozymePharmaceuticals公司的研究人员就发现反义寡核苷酸可以募集ADAR酶到互补RNA链上进行碱基编辑。他们在《PNAS》杂志上发表了这项研究,并且提出了“治疗性RNA编辑”这一说法。然而这篇论文只被引用过一次,就被人遗忘了。

直到十多年后,Rosenthal博士和德国图宾根大学(UniversityofTübingen)的化学家ThorstenStafforst博士相互独立地重新点燃开发基于ADAR的RNA编辑器的希望。他们各自开发出将指导RNA与ADAR酶相连的系统。这些系统都依靠ADAR能够将RNA编码中的腺苷(A)转变为肌苷(I)的天然能力。当细胞使用编辑过的RNA来制造蛋白时,它们会把不常见的肌苷(I)解释为鸟苷(G)。这一编辑的最终结果是将编码中的A变为G。他们的研究分别在年和年发表在《AngewandteChemieInternationalEdition》和《PNAS》杂志上。

然而,当他们的研究发布时,CRISPR基因编辑系统已经出现了,CRISPR系统简便有效地编辑DNA的能力吸引了大多数人的目光。编辑RNA的研究并没有引起人们的重视。然而,Stafforst和Rosenthal博士仍然继续进行优化RNA编辑器的工作。对于他们来说,RNA编辑器仍然具有独特的优势。例如,CRISPR系统的一个缺陷是它可能导致脱靶效应,在DNA上的脱靶效应会导致DNA编码的永久改变,而RNA编辑的脱靶效应是暂时的,这意味着RNA编辑可能是一条更安全的治疗途径。

在年,张锋博士开发出他自己的RNA编辑器,他的团队将ADAR的催化部分与一个Cas蛋白相结合,使用指导RNA引导对特定RNA序列的单碱基编辑。这项研究发表在《科学》杂志上。随后,他与DavidLiu等人联合创建了BeamTherapeutics公司。张锋博士的研究让人们重新开始



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