作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2013-8-27 9:03:57
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革命性基因编辑技术CRISPR渐成科学家新宠

当病毒攻击细菌时,细菌会作出以DNA为目标的防御反应,生物学家利用此机理研发基因工程技术。
图片来源:EYE OF SCIENCE
 
如果只是一份报告发表的话,仅会获得一些关注。但是当有6份报告同时发表时,这便意味着它是大势所趋。
 
细菌也会生病,这对于乳品业来说是一个潜在的大问题。乳品业通常依靠细菌(诸如嗜热链球菌)生产酸奶和乳酪。嗜热链球菌将牛奶中的乳糖分解为有刺激性的乳酸。但是某些病毒,诸如噬菌体能逐步削弱细菌,进而对在细菌作用下生产的食物的质量或数量造成严重损害。
 
CRISPR技术
 
2007年,来自丹尼斯克公司(一家总部位于丹麦哥本哈根的食品添加剂公司,目前被杜邦公司收购)的科学家找到了一种能增强细菌防御噬菌体能力的方法。这一发现使得杜邦公司能够为食品生产培育更强壮的菌株。一些基本的原理也被揭示:细菌具备一种有高度适应性的免疫系统,使得它们能击退来自某种噬菌体的多次进攻。
 
突然之间,不仅是食品科学家和微生物学家,很多领域都意识到细菌免疫系统的重要性,因为它具备一个非常有价值的特性:以某个特定的基因序列为目标。今年1月,4个研究团队报告了这一被称为CRISPR的系统。在接下来的8个月中,许多科研团队利用它来删除、添加、激活或抑制人体、老鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫和农作物细胞中的目标基因,从而证明了这个技术的广泛适用性。
 
美国哈佛大学的George Church说,生物学家最近开发了一些新方法来精确操纵基因,“但CRISPR的功效和易用性在各方面都更胜一筹”。Church的实验室是首批将该技术应用于人体细胞的实验室之一。
 
基于CRISPR,科学家构建人类疾病小鼠模型的速度要比之前快得多,研究单个基因则更为快速,能立刻容易地改变细胞中的多个基因,以便研究它们的相互作用。但是今年研究CRISPR的热潮可能会减退,因为这种方法的局限性开始显现。但Church和其他CRISPR的先驱者已经成立了公司,希望利用这项技术治疗遗传性疾病。美国波兹曼市蒙大拿州立大学生物化学家Blake Wiedenheft说:“我不认为有任何领域的任何例子能够说明这项技术发展得过快。”
 
蹒跚起步
 
这种新基因工程工具于1987年被首次报道,一个研究团队在一个细菌基因的一端观察到一个奇怪的重复序列。这一现象当时并未引起太多人的注意。十年后,破译微生物基因组的生物学家经常发现类似令人费解的模式(一个DNA序列紧跟着几乎完全相同但以相反方向构造的序列)。这一模式出现在超过40%的细菌和90%的古生菌中。
 
很多研究人员假定这些奇怪的序列是毫无意义的,但是2005年,三个生物信息学团队报告,间隔区DNA通常和噬菌体的基因序列相匹配,表明CRISPR在微生物免疫中可能发挥了作用。加州大学(UC)伯克利分校生物化学家Jennifer Doudna说:“这是一个非常重要的线索。”而马里兰州贝塞斯达市美国国家生物技术信息中心的Eugene Koonin和他的同事则提出,细菌和古生菌占据了噬菌体DNA,之后将其作为RNA分子(能阻止外来DNA的匹配)的一个模板保存起来,就像真核细胞利用一个被称作核糖核酸干扰(RNAi)的系统摧毁RNA一样。
 
2007年,丹尼斯克团队的Rodolphe Barrangou、Philippe Horvath和其他人证明,他们能通过添加或删除和噬菌体DNA相匹配的间隔区DNA,改变嗜热链球菌对噬菌体攻击的抵抗力。在那时,Barrangou(目前就职于美国罗利市北卡罗来纳州立大学)并未充分发挥CRISPR的全部潜能。他说:“我们还不清楚这些元素能否像引人注目的基因编辑技术那样,成为随时可利用的技术。”
 
Doudna与目前任职于德国亥姆霍兹感染研究中心和汉诺威医学院的Emmanuelle Charpentier开展了下一个步骤。它们独立地梳理了各种和CRISPR相关的蛋白质所发挥的作用,研究间隔区DNA如何在细菌的免疫防御中发挥作用。但是这两名专家很快转而研究依赖一种被称为Cas9的蛋白质的CRISPR系统,因为这个CRISPR系统比其他CRISPR系统更简单。
 
遭遇噬菌体入侵时,CRISPR会作出反应,此时细菌把间隔区DNA和DNA回文序列转录成一串长的RNA分子。tracrRNA(一个额外的RNA片段)和Cas9一起作用产生crRNA(源自间隔区的RNAs)。Charpentier的团队于2011年将这一发现报告在《自然》杂志上。该团队提出,Cas9、tracrRNA和crRNA一起以某种方法攻击和crRNA配对的外来DNA。
 
席卷全球
 
速度并不是CRISPR的唯一优势。Church的团队正在推广TALENs(合成核酸酶)在人体细胞中的使用。在3种类型的人体细胞中,在切割目标DNA方面,CRISPR系统要比TALENs更高效,且能比TALENs处理更多的基因。为了说明CRISPR系统的简便性,Church的团队合成了成千上万的向导RNA序列——可锁定90%的人类基因。
 
几乎和Church的论文同时出现的一篇独立研究论文(由美国马萨诸塞州博德研究所合成生物学家Feng Zhang和他的同事完成)显示,CRISPR能立刻锁定和切割人体细胞中的两个基因。在和马萨诸塞州怀海德生物医学研究所发育生物学家Rudolf Jaenisch的合作中,Zhang分裂了小鼠胚胎干细胞中的5个基因。
 
这些工作为培育变异老鼠打下了基础,这是生物医学研究的一个关键工具。一个方法是,将发生突变老鼠的胚胎干细胞植入一个正在生长的胚胎中。他的团队发现,这能简单地将Cas9信使RNA和两个向导RNAs注入老鼠的卵子或受精卵中。
 
根据Zhang的CRISPR技术,一个新的小鼠模型即将在几周内投入测试。Zhang认为,这种方法并不局限于老鼠。只要你能操纵胚胎并重新植入胚胎,你将可以在更大型的动物(甚至灵长类动物)上开展该研究。
 
在Zhang和Church的报告在线发表3周之后,Doudna的团队和一个韩国研究小组报告称,他们成功利用CRISPR切除了人体细胞的DNA。与此同时,另外一个小组透露,他们利用CRISPR创造出变异的斑马鱼。一系列的研究报告造成了协同效应,为生物界赢得了广泛的关注。北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学生物医学工程师Charles Gersbach说:“如果只是一份报告发表的话,仅会获得一些关注。但是当有6份报告同时发表时,这便意味着它是大势所趋。”
 
一年前,当高彩霞看到Doudna和Charpentier的研究报告后,她被他们的理论所折服。高彩霞的团队来自北京市中国科学院遗传与发育生物学研究所,她们已经利用锌指结构和TALENs技术在大米和小麦上进行研究。通过利用CRISPR,她的团队已经成功地令大米的4种基因失去功能,这意味着该技术可以用于改良大米这种重要的农作物。至于小麦,她们剔除了一种基因,使小麦获得了白粉病抗性。CRISPR的进展令人兴奋,高彩霞团队的研究报告发表在8月刊的《自然—生物技术》上,与此同时,还有另外4篇关于CRISPR在植物和老鼠身上的研究成果的报告同期发表。
 
CRISPR的使用成本很低:免费的软件使得设计向导RNA(用于针对特定的基因)的成本为零,另外只需花费65美元便可以从名为Addgene的基因资源库中获取基因,来设计自己的CRISPR系统。自今年开始,Addgene(共有11个科研小组为它提供了可用于CRISPR系统的DNA序列)已经见证了5000种CRISPR构造的产生。今年7月,Addgene在一周内就收到了(为了设计一种新构造的)100份订单,Addgene的执行董事Joanne Kamens说:“Addgene正在热卖中。”(段歆涔)(原标题《CRISPR狂潮“来势汹汹”》)
 
《中国科学报》 (2013-08-27 第3版 国际)
 
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