基因编辑技术再出新武器

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  新技术能相对精确地切割基因组靶点,适用于对人类细胞进行基因编辑,可也并非完美无缺。
  最近,河北科技大学副教授韩春雨的一项原创成果成为热点,这项成果对正在风头的基因编辑“明星”技术——CRISPR/Cas9,提出了挑战。
  这一新技术立即引起国内外同行的关注,它适用于对人类细胞进行基因编辑。5月2日,顶级刊物《自然生物技术》(Nature Biotechnology)在线发表了韩春雨的论文。
  不同于以核糖核酸(RNA)为向导的CRISPR/Cas9技术,新技术来源于格氏嗜盐碱杆菌,这种古细菌的Argonaute(NgAgo)是一种脱氧核糖核酸(DNA)介导的核酸内切酶。
  不过,两种技术工作原理一样,即:当经过特别设计的向导DNA或RNA,将核酸内切酶带到靶向基因的特定区域后,核酸内切酶对这一区域进行切割,造成双DNA链断裂,最后,细胞再通过修复机制,对断裂进行修复,实现基因的敲除和插入等。
  CRISPR/Cas9技术从2012年开始在研究领域迅速得到了广泛的应用。其局限性在于,一是向导RNA与靶DNA序列之间存在错配;二是Cas9系统需要一个符合一定特征的三碱基序列,这在一定程度上限制了其设计范围。
  两年前,荷兰瓦赫宁恩大学的约翰·范德欧斯特研究组证明,嗜热细菌的Argonaute蛋白(TtAgo)可以有效地利用单链DNA作为向导,相对精确地切割基因组靶点。
  基因编辑领域的很多同行得知范德欧斯特的这一发现后,非常兴奋,希望能将其发展成一个更简单、实用的基因编辑工具。然而,TtAgo的工作温度在65摄氏度-75摄氏度之间,无法在生理条件下(哺乳动物在37摄氏度左右)发挥功能,这就限制了其在生物体中的应用。
  韩春雨在面对这一应用局限时,没有放弃。摆在他面前的有两条路,一是,通过改变该酶的构象,从而使其能在生理条件下工作;二是搜寻Argonaute的同源蛋白,找到能在较低温度发挥功能的同源蛋白。
  韩春雨选择了后者。两个月后,韩春雨研究组顺利筛选到NgAgo。
  后续的研究证明,与CRISPR/Cas9相比,NgAgo对向导序列—靶序列错配的容忍度很低,具有高特异低脱靶性。此外,基本不存在被其他非向导DNA误导脱靶的可能。
  理论上,这一新技术还将基因编辑的精确性提高了1024倍(4的5次方);并在一定程度上也拓宽了设计范围。
  另外一个优点是,实验操作相对更加方便可控。向导单链DNA设计简单,且通过外源转染进细胞,其时间和剂量都可以非常精确地控制。而Cas9系统却难以精确地控制。
  韩春雨团队对新成果信心满满,并吸取了CRISPR技术专利权之争的“教训”,在文章被接收的五个月之前(2015年12月)就向国家知识产权局提交了名为“以Argonaute核酸酶为核心的基因编辑技术”的发明专利申请。该申请在2016年4月通过审核并公布。
  韩春雨团队在专利书中说,“利用本技术,有望实现高特异性和高效率的基因组靶向编辑。”
  然而,面对“NgAgo或将取代CRISPR/Cas9技术”这种说法,上海南方模式生物科技发展有限公司技术顾问周效华持保守态度。他对《财经》分析,在过去三四年间,CRISPR/Cas9技术经过科学家不断地完善,已成为基因编辑领域一个重要而稳定的角色。NgAgo这个“新生儿”,则还需要更多的“磨炼”,才能被广泛应用于科研及临床治疗。
  毕竟,NgAgo也并非完美无缺。以DNA为向导是NgAgo的优点,同时,也给它在生物医疗的应用带来了阻碍。在基因治疗中,向人体内引入外源DNA是很忌讳的。CRISPR/Cas9系统导入人体后不会在细胞中长期存在,而NgAgo的gDNA导入细胞后可能会被整合到基因组上,带来伦理问题。周效华称,这个障碍可能可以通过降低同源重组过程中插入序列的效率来克服。
  此外,周效华认为,目前这个技术在生长分裂旺盛的干细胞中,可能发挥一定效率,而在基因治疗中则应用价值不高。
  在未来的临床应用中,NgAgo面临着与CRISPR/Cas9相同的问题:如何提高同源重组的效率。
  基因编辑技术在临床上的应用,其中一种类型是通过同源重组,对本身有缺陷的突变进行修复,这一修复过程必然要经过同源重组来替换掉有突变的基因。“目前在CRISPR/Cas9领域已经有研究在克服同源重组效率低的问题,我相信未来研究人员也会关注如何提高NgAgo技术的同源重组效率。”周效华说。
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