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张锋Nature Medicine综述:基因编辑技术最新进展

人体内已命名的基因共有25000多条,目前已知一部分基因(3000)的突变会引起各类疾病。对于此类疾病的治疗,最本质的手段是通过一些方法将突变后的遗传物质矫正回原来的状态。这类方法被称为遗传疗法(genetic therapies)。目前最广泛的遗传疗法手段为:1. 以病毒载体感染方式引导的源基因导入;2. 以RNA干扰方式引导的目的基因表达下调。这些手段在治疗严重复合型免疫缺陷疾病(SCID)以及Wiskott-Aldrich综合征方面获得了成功。尽管如此,RNAi技术在应用的广泛性上还存在局限。


基因编辑技术(genome editing technologies)是针对DNA本身进行的操作手段。最近应用型基因编辑领域的"鼻祖",美国麻省理工学院张锋教授等人发表在《Nature Medicine》杂志上的一篇综述详细介绍了这些技术的原理以及在临床上的应用前景。


基因编辑技术的基本原理


归巢酶,ZFN,TALEN以及CRISPR/cas9四种核酸内切酶均能够特异性地识别与切割特定的DNA序列,引起DNA双链断裂(DSB)。根据其识别方式的不同可以分为:蛋白质与DNA的识别与切割,包括归巢酶,ZFN,TALEN; RNA与DNA的识别与蛋白质介导的切割,即CRISPR/cas9。在特异性方面,归巢酶具有一个较大的DNA识别结构域,此结构同时负责DNA的切割;ZFN与TALEN是由多个酶亚基组成的复合体,分别具有特异性识别DNA的能力与 DNA内切活性。在应用方面,归巢酶及ZFN需要通过人工突变的方式构造切割不同DNA序列的工程酶,LALEN则需要复杂的分子克隆达到此目的。与之不同,在CRISPR/cas9系统中,可以通过简单的sgRNA的变化达到切割不同的基因片段的目的。切割完成后,目的位点会出现双链断裂(DSB)的结果并引起生物体的主动修复。NHDJ修复以另外一条未被切割的DNA链为模板,从而保证修复结果的准确。在反复不断地断裂-修复过程中,容易在切割位点造成插入或缺失突变,这样就达到了造成基因紊乱的目的。另外,研究人员利用HDR的修复机制可以人为制造想要得到的突变结果,从而达到基因修复的效果。


基因编辑疗法简介


基因编辑在疾病治疗方面的应用模式主要为:矫正/沉默有害突变,插入保护性突变,加入治疗性基因以及敲除病毒DNA。对于突变引起的有害基因的活化,可以通过简单的沉默或敲除的方式达到治疗的目的,如亨廷顿氏舞蹈症(一种显性突变引起的家族性遗传病),但是对于突变引起的正常基因的失活,则需要通过HDR的方式对目的序列进行编辑,使其恢复到原有的健康状态,如泰萨氏病 (一种隐性基因突变引起的遗传性疾病)。


基因编辑的效率


基因编辑的效率受到编辑方式,细胞类型,位点序列等多个因素的影响。总体上来讲,NHEJ要比HDR效率更高。对于我们更关心的HDR方式,主要受到4个因素的影响:1,修饰的本质,如改变的序列幅度;2,其识别特异性的干扰,如NHEJ可能干扰DSB造成的针对HDR的特异性序列,造成其效率的下降;3,破坏序列与改造序列的相似度;4,HDR拓扑结构。


具体治疗手段与成功案例


目前常见的治疗手段为体外治疗与体内治疗。体外治疗为将病人体内需要被改造的细胞取出,在体外进行培养与改造,然后将改造后的细胞导入体内;体内治疗为直接将改造材料注入患者体内,可以是系统性地改造,也可以是局部的改造。体外改造的成功例子是讲HIV携带者体内的CD4阳性T细胞表面的CCR5受体进行突变,然后导入体内,发现这一做法能够有效提高患者CD4阳性T细胞数量与减轻HIV恶化程度。体内感染的成功例子是对于小鼠B型血友病的治疗,通过体内导入重组因子IX,小鼠病情得到了减轻。


虽然目前基因编辑编辑技术在安全性与效率方面取得了很大的进步,但是在临床应用方面还有很大的挑战。我们需要一方面不断提高基因编辑的效率,以期能够以最小的代价得到有效治疗;另外,我们还需要不断探索这些核算内切酶的作用机制,从而能够进一步提高它们的特异性,将副作用降到最低。


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