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Nature子刊重大成果:用CRISPR技术根除艾滋病毒

想象一下用一种药物就可以防止人类免疫缺陷病毒(HIV)感染,治疗已经感染了HIV的患者,甚至清除掉疾病晚期患者体内所有的潜伏病毒拷贝。这听起来就像科幻小说,而来自Salk生物研究所的科学家们通过定制许多细菌利用的一种强大的防御系统,并训练这一剪刀样机器来识别HIV病毒,朝着研发出这样的一种药物迈近了一步。这项研究发表在3月10日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。


论文的资深作者、Salk生物研究所基因表达实验室教授Juan Carlos Izpisua Belmonte说:“进化促成了一些最令人惊讶的机制保护生物体免受自然病原体的侵袭。了解细菌借助来保护自身防止病毒感染的这一免疫反应,我们能够设计出一些新的平台来靶向人类患者体内的一些破坏性病毒例如HIV。”


当一个HIV病毒副本潜入到人类细胞中,它可以造成巨大的破坏。它将细胞自身的分子机器挪为己用来生成病毒的遗传物质副本,然后将这些副本埋藏于细胞自身的基因之中。从那时起,宿主细胞变成了一个HIV工厂,生成新的病毒拷贝来扩散至全身。现有的HIV药物靶向的是这一生命周期的个别步骤;例如一些阻止了病毒整合到细胞DNA中,而另一些则试图阻止受累细胞生成更多的病毒。


新论文的第一作者、Izpisua Belmonte实验室研究助理Hsin-Kai (Ken) Liao说:“这些药物都有一个问题:它们无法真正地清除隐藏在细胞DNA内的病毒拷贝。这些病毒拷贝可以多年保持休眠状态,然后再度激活。”


Liao说:“由于HIV可以潜伏,患者通常需要终身每天或每周服药。这耗费了金钱、时间和精力。”


为了解决这一问题,Liao和Izpisua Belmonte转向了细菌利用来在特异位点切割外源DNA的,一种叫做CRISPR的分子防御系统。自从近年发现它以来,科学家们已开始利用CRISPR来编辑一些基因。而Liao和Izpisua Belmonte也被它的防御能力所吸引,想知道是否可以编程CRISPR来切割和破坏人体细胞内的病毒。


CRISPR利用了一些称作为向导RNA(guide RNA, gRNAs)的遗传材料片段来引导切割,因此科学家们开发出了一些与HIV病毒上独特位点结合的向导RNA。为了让这一系统能够对HIV感染的免疫细胞起作用,他们加入了CRISPR、向导RNAs和其他一些需要的分子,发现CRISPR成功地切割了HIV基因的正确位点,失活了这一病毒。这使得高达72%的细胞完全清除了这一病毒。CRISPR不仅在病毒开始感染细胞时切断了释放的病毒拷贝,也切碎了隐藏潜伏在细胞DNA内的HIV。


尽管其他的一些研究小组也曾报道称采用相似的方法让CRISPR靶向了HIV,Salk生物研究所的新研究证实了这种方法有效对抗的是活化的、全长HIV而不是缩短的、失活的病毒版本。研究小组还以一种更完整的方式阐明了在活体人类细胞中CRISPR是如何靶向HIV,证实了它可以在病毒嵌入到基因组中之前及之后发挥作用。


Liao说:“CRISPR可以真正地从人类基因组除去这一病毒。”


接下来,Liao和同事们尝试在HIV感染之前将CRISPR系统添加到了人类细胞中。他们证实有了这一系统可以阻止HIV感染——CRISPR在HIV开始复制之前切碎了所有的病毒拷贝。


Izpisua Belmonte说:“这一技术的主要优势不仅在于可以除去整合到人类基因组中的病毒DNA,最重要的是它的预防应用。通过在病毒生命周期的早期阶段清除它,我们可以与常规疫苗相似的作用方式来阻止人类细胞感染。”


不过,仍然还需要开展更多的研究来确定如何在人类患者中利用这一技术,以及HIV是否会快速地进化来躲避CRISPR。考虑到这一点,该研究小组正在研究将更多向导RNAs添加到CRISPR混合物中使得这种防御能够同时识别病毒更多区域的效力。Liao说:“HIV病毒可以极快速地突变。如果我们同时靶向多个区域,我们可以降低病毒产生耐药的机会。”


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