来源:新华社 发布者:亦云 日期:2016-01-04
美国《科学》杂志1日发表的3项独立研究显示,被誉为“基因剪刀”的CRISPR基因编辑技术有望用来治疗一种肌肉萎缩遗传病——杜兴肌营养不良症。
美国杜克大学、得克萨斯大学和哈佛大学的研究人员分别通过编辑一个涉及肌肉功能的基因,成功让罹患杜兴肌营养不良症的小鼠恢复一定程度的肌肉功能。这也是研究人员首次成功利用基因编辑技术给活体哺乳动物治疗遗传疾病。
杜兴肌营养不良症由抗肌萎缩蛋白缺乏或功能受损而引起。抗肌萎缩蛋白是肌肉的重要组成部分,其基因含79个被称为外显子的蛋白编码区域,任何一个外显子突变都可能导致抗肌萎缩蛋白出现问题。杜兴肌营养不良症只影响男孩,大约每3500名新生男婴中就有1人罹患该症,患者通常只能活到30多岁。
在第一项研究中,杜克大学副教授查尔斯·格斯巴赫等人用基因编辑技术删除出现突变的外显子23,并引发机体自动“缝合”剩下的蛋白编码区域,制造出缩短但仍能发挥作用的新版本抗肌萎缩蛋白。
他们首先利用不致病的腺病毒做载体,将基因编辑系统输送到成年小鼠的腿部肌肉细胞内,结果显示,其腿部的抗肌萎缩蛋白水平得到一定程度的恢复,肌肉力量增加。他们又将基因编辑系统注射入小鼠的血液,这次小鼠全身肌肉得到改善,尤其是与心脏有关的肌肉,而心肌衰竭是杜兴肌营养不良症患者死亡的主要直接原因之一。
另外两项研究中,得克萨斯大学和哈佛大学的研究人员同样通过腺病毒与基因编辑技术的组合,来治疗罹患杜兴肌营养不良症的小鼠,并发现小鼠肌肉功能有着类似的改善。
格斯巴赫评价说:“尽管还要做大量工作去把这个方法转化成人类疗法并验证其安全性,但我们第一批试验结果令人激动。”
他强调,尽管学界对能否通过基因编辑技术修改人类胚胎的突变基因存在伦理争议,但对利用该技术纠正患者受影响组织的基因突变并没有争议。
基因编辑技术在问世的3年多里已连续3次入选《科学》年度十大突破,其中2015年更被评为头号突破。该杂志认为,基因编辑技术精确度高、成本低、操作简便,势必对研究产生“革命性影响”。
近日,一项刊登在国际杂志Science上的研究论文中,来自美国西南医学中心的研究人员通过研究,利用一种新型的基因编辑技术成功地在年轻小鼠中阻断了杜氏肌营养不良(DMD)的进展。如果该技术可以有效且安全地用于DMD患者中,那么其或将帮助开发首个基于基因编辑的疗法来治疗人类致死性的疾病。
DMD是男孩儿中常见的一种严重形式的肌营养不良症,主要特点为肌肉进行性地退化且表现出虚弱,该疾病的发生主要是由X染色体相关的DMD基因突变而引起,该基因可以编码肌营养不良蛋白,据CDC数据显示,在3500至5000名男孩儿中就有1人是DMD患者,而该疾病最终会在个体30岁前引发患者早死。
本文研究中研究人员成功利用一种基因编辑技术永久性地纠正了引发幼年小鼠的DMD突变,研究者Eric Olson表示,这种基因编辑技术不同于其他的治疗性手段,因为其可以彻底消除引发DMD的病因。早在2014年我们就利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术成功地纠正了小鼠生殖细胞中的突变从而成功抑制了肌营养不良症的发生,这就为开发新型基于基因组编辑的新型疗法来治疗DMD埋下了伏笔,同时也为基因编辑技术在临床中的使用带来了极大的挑战。
在人类中对生殖细胞的编辑并不可行,但我们需要开发出将基因编辑组件运输到出生后机体组织的策略;随后研究人员通过腺伴随病毒9(AAV9)来将基因编辑组分运输到小鼠中,利用该技术治疗的DMD小鼠就会产生出肌营养不良蛋白,而且小鼠机体的骨骼肌和心脏的功能及结构也会出现不断地改善。Leonela Amoasii说道,AAV9会以一种组织特异性的方式来有效地感染人类机体,但其并不会引发人类患病,其仅仅是基因疗法的一个分子导弹一样。
本文研究中研究人员在DMD患者和大量的临床前动物模型中证实了新型基因编辑技术的效果,这样研究者就可以利用基因组编辑的技术来纠正引发DMD的遗传突变,从而就将加速人类治疗诸如DMD等致死性疾病的进程了;研究人员希望后期可以迅速将在DMD小鼠模型中获得的成果迅速转化到患DMD的人类机体中。(生物谷Bioon.com)
在2015年12月31日的《科学》(Science)上,三个独立研究小组提供了初步的研究证据表明,通过编辑一个与肌肉功能相关的基因,修复杜氏肌营养不良症小鼠的一些肌肉功能,可以治愈这一遗传性疾病。这标志着第一次在完全发育的活体哺乳动物中CRISPR采用一种有潜力转化为人类疗法的策略,成功治疗了一种遗传疾病。
杜氏肌营养不良症是由于机体生成dystrophin蛋白的能力出现问题而产生。Dystrophin是一条长蛋白质链,将肌纤维内部与其周围的支持结构绑定在一起。Dystrophin由一个包含79个外显子的基因所编码。如果有任何一个外显子发生破坏性突变,这一蛋白质链就无法构建起来。
没有dystrophin提供支持,肌肉往往会分解并慢慢退化。在每5,000名新生男婴中就有一人受累于杜氏肌营养不良症。大多数患者到10岁需要坐轮椅,他们在20多岁30出头就会死去。由于突变位于X染色体上,因此有两条X染色体的女童应该至少有一个功能性dystrophin基因拷贝。
来自杜克大学的研究人员过去曾利用CRISPR在来自杜氏肌营养不良症患者的培养细胞中纠正了遗传突变,其他实验室也在实验室环境中纠正了单细胞胚胎中的基因。但后者的方法当前被视为是不道德的,前者则在将处理细胞传送回肌肉组织方面面对许多的障碍。
另一种方法是通过一些基因治疗技术将CRISPR直接导入受累组织中,也面临着一些挑战,尤其是在传送方面。在第一项新研究中,杜克大学的研究人员通过采用一种非致病性载体——腺相关病毒(AAV)来传送这一基因编辑系统克服了其中的一些障碍。
Christopher Nelson等人将基因编辑工具包装到了AAV中。利用病毒来作为基因治疗的传送载体,研究人员会从病毒中除去所有有害的基因和复制基因。尽管早期的一些病毒类型因为各种原因,诸如整合到基因组中及引起一些问题或触发免疫应答,不能很好地起作用,AAV是迄今为止已证实特殊的一类病毒。许多人都受到这一病毒的感染,AAV不致病,却能够非常有效地进入到细胞中。
在美国AAV正用于许多晚期临床试验中,并被欧盟批准用于一种基因治疗药物中。由于存在不同版本的AAV倾向进入不同的组织,例如骨骼肌和心肌,因此研究人员可以全身递送它们。但总是会存在某个问题,对于杜克大学生物医学工程学副教授C.A. Gersbach而言是大小的问题。
Gersbach说:“AAV是一种真正的小病毒,而CRISPR相对较大。它根本不合适,因此我们仍然有个包装问题。”
解决方案来自麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的研究员张锋(Feng Zhang)。今年早些时候,张锋描述了来自一种不同细菌的CRISPR系统。在自然细菌免疫系统中,CRISPR发挥照片作用帮助鉴别靶DNA,Cas9是切割DNA链的那把刀。研究人员通常采用的大Cas9蛋白来自化脓性链球菌。在搜索了细菌王国后,张锋发现了小得多的金黄色葡萄球菌Cas9蛋白(延伸阅读:张锋Nature重大突破:用新型高效Cas9实现基因组编辑 )。
在这项研究中研究人员采用dystrophin基因一个外显子存在破坏性突变的小鼠模型开展了研究。他们重编程新CRISPR/Cas9系统剪掉了功能异常的外显子,机体的自然修复系统将基因的剩余部分连接在一起生成了缩短但具有功能的基因版本。
相比用功能基因拷贝替换功能失常的外显子更简单、更有效,仅除去薄弱环节将是在更大的患者群体中有效发挥作用的一种策略。
研究人员首先将治疗系统直接传送到成年小鼠的腿部肌肉中删除了23号外显子,恢复了功能性dystrophin并提高了肌力。他们随后将CRISPR/AAV8组合注入到了小鼠血液中以达到所有肌肉处。结果显示同样纠正了全身的肌肉,包括心肌——这是一个重大的胜利,因为心力衰竭往往是杜氏肌营养不良症患者死亡的原因。
在第二项研究中,德克萨斯大学西南医学中心的Chengzu Long和同事们利用了对肌肉具有高亲和力的AAV9,将CRISPR-Cas9编辑元件传送了同样的杜氏肌营养不良症小鼠模型中。他们首先确定了他们的基因编辑策略在小鼠卵子和精子细胞中起作用,发现它非常高效:在生殖细胞改造后80%的小鼠宝宝都显示缺失23号外显子,转而提供了这些动物中的dystrophin蛋白表达。
研究人员随后他们的策略应用于与临床更相关的体细胞基因编辑。在小鼠出生几天后,他们通过腹部、肌肉或眼睛后部注射,利用AAV9将这一编辑系统传送到了小鼠体内。尽管每种方法都具有其独特的益处并改善了肌肉功能,他们发现当直接进行肌肉注射时,dystrophin蛋白质水平最高。
在第三项研究中,哈佛大学的Mohammadsharif Tabebordbar等人,也利用CRISPR 和 AAV9编辑删除了23号外显子,发现相似地有益修复了肌肉功能。利用荧光标记物,研究小组分析了基因编辑系统对定位远离注射位点的卫星细胞的影响。他们发现,一些卫星肌管(肌细胞的“年轻阶段)已恢复表达dystrophin。因此作者们提出AAV-CRISPR或许能够在体内提供持续的遗传修复。
(生物通:何嫱)
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