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测序周报 · 科研篇：《细胞》最新突破！不切割DNA的CRISPR技术，可治疗多种疾病

测序中国 · 公众号 · · 2017-12-10 16:55

正文

本周关注

这是CRISPR领域的又一项突破性进展！最新发表在Cell杂志上的一篇论文描述了一种“无需切割DNA双链，通过激活基因表达”来实现基因组编辑的新CRISPR技术。更令人振奋的是，研究证实，这一新技术能够在小鼠中被用于治疗多种不同的疾病，有望绕过现有基因编辑技术治疗人类疾病的主要障碍。

目前，科学家们对基因编辑技术，尤其是CRISPR-Cas9技术的大部分“热情”是集中在开发它们用于“插入或删除基因以及修复致病突变”。但CRISPR-Cas9技术（通常通过切断DNA双链发挥作用）存在的一个主要问题是，在某些时候，会留下新的突变，带来不确定的副作用。

12月7日，在线发表于Cell上的这项研究中，来自Salk生物学研究所的科学家们报道了一种“修改版”的CRISPR-Cas9技术——它的功能是改变疾病相关基因（disease-associated genes）的活性，而不是改变基因的序列。

Juan Carlos Izpisua Belmonte教授（图片来源：以下视频）

论文的通讯作者Juan Carlos Izpisua Belmonte教授说：“切割DNA会带来引入新突变的机会，可能会出现有害的错误——这是遗传学领域的一个重要瓶颈。”

为了避免引发这种有害的错误，Belmonte教授的实验室开发出了无需切割DNA的新CRISPR-Cas9系统。这一成果首次提供了证据证明，利用“表观遗传编辑技术”（epigenetic editing technology）能够改变动物的表型，并保持DNA完整性。

不切割DNA的CRISPR技术

推荐大家看一下这个有（dou）趣（bi）的视频。

具体来说，为了实现“表观遗传编辑”，科学家们使用了2个腺相关病毒（adeno-associated viruses，AAVs）作为载体。在其中一个AAV中，研究人员插入了表达Cas9酶的基因；同时，他们利用另一个AAV引入了短sgRNA（single guide RNA，指定了Cas9结合在小鼠基因组中的精确位置）以及一个转录激活剂（transcriptional activator）。

与先前大多数CRISPR-Cas9技术使用的由20个核苷酸组成的sgRNA相比，这一新技术中使用的“短sgRNA”只有14或15个核苷酸。研究人员表示，正是这一改变阻止了Cas9切割DNA。他们使用这种修改版的sgRNA来让转录激活剂与Cas9酶一起工作。

利用传统的CRISPR-Cas9技术时，研究人员首先需要构建一个sgRNA。sgRNA中包含一段与目标DNA匹配的序列，被附着在Cas9酶上。将Cas9-sgRNA复合物引入到目标细胞后，sgRNA会找到与其匹配的DNA序列，然后，Cas9酶结合目标DNA序列，切断双链。（图片来源：网络）

可治疗多种不同疾病

论文的共同第一作者Fumiyuki Hatanaka解释道：“我们希望在不切割DNA的前提下改变细胞的命运，并产生治疗效果。”

而在这一研究中，新CRISPR技术在多种疾病小鼠模型中实现了“疾病逆转”。具体来说，1）在急性肾脏疾病小鼠模型中，该技术激活了先前受损或沉默的基因，恢复了正常的肾功能；2）同时，借助该技术还能够诱导一些肝细胞分化成胰腺β样细胞（pancreatic beta-like cells，作用是产生胰岛素），部分挽救了1型糖尿病小鼠模型；3）此外，该技术还恢复了肌肉萎缩症小鼠模型的肌肉生长和功能。值得一提的是，研究人员并没有试图纠正与这一疾病相关的突变基因，而是增加了在相同通路中基因的表达。

图片来源：以上视频

Belmonte教授强调：“我们并没有修复基因，突变依然存在。相反，我们是在表观基因组（epigenome）上做工作。我们的技术使相同通路中的其他基因表达得以恢复，这足以恢复这些突变小鼠的肌肉功能。”

对于这些成果，Hatanaka表示：“当我们看到这些小鼠中的结果时，我们是非常兴奋的。这表明，我们不仅借助该技术诱导了基因激活，同时，还引发了小鼠的生理学变化。”

未来潜在治疗前景

这些初步的数据表明，新CRISPR技术是安全的，不会产生不想要的基因突变。不过，科学家们表示，在将这一技术带向临床前，他们将做更多的研究，以确保它的安全性、实用性和有效性。

Belmonte教授认为，这项技术有望成为治疗神经系统疾病（如阿尔茨海默症、帕金森病）的一种方法。就像该技术在小鼠模型中恢复了肾脏、肌肉和胰岛素生产功能一样，他看到了一个让神经元重新焕发活力的未来，甚至，有一天可能也会在人类患者中实现这一愿望。同时，这一技术还有望用于逆转衰老及相关疾病，如听力损失、黄斑变性。

参考资料：

1. CRISPR-Cas9 technique targeting epigenetics reverses disease in mice

2. Salk scientists modify CRISPR to epigenetically treat diabetes, kidney disease, muscular dystrophy

3. In Vivo Target Gene Activation via CRISPR/Cas9-Mediated Trans-epigenetic Modulation

来源：生物探索

本周科研进展

1.12月7日，中国中医科学院中药研究所和安利植物研发中心对外发布消息称，由他们共同发起的科研团队，在菊花全基因组计划获重大进展的同时，还完成了重要的药用菊花品种——杭白菊的全长转录组遗传信息发掘。此举使我国成为世界上首次完成菊属植物菊花全基因组测序的国家。

2. 近日，德国慕尼黑工业大学一个研究小组最近发现，人体免疫细胞T细胞内也有类似开关，那些有基因缺陷的T细胞会被“紧急关闭”，确保其不会疯狂生长成肿瘤细胞。这一成果发表在《自然》杂志上，有助于开发治疗淋巴瘤的新方法，或能治愈因免疫细胞缺损导致的T细胞非霍奇金淋巴瘤。

3.12月7日，自加州理工学院的钱璐璐教授开发了一种成本低廉的“DNA 折纸”技术，能让大块大块的结构进行自我组装，形成完全自定义的结构。为了彰显这项技术的潜力，钱璐璐课题组用 DNA 创造了世界上最小的“蒙娜丽莎”画。这一突破性的成就登上了最新一期《自然》杂志的封面。

4.近日，中国科学院上海生命科学研究院与清华大学合作发表的论文在线发表在Nature Communications上，该研究通过开发计算工具包（iCpSc）用于整合单细胞和群体细胞转录组数据，来预测细胞分化过程中单细胞的分化时间和路径，并通过基因调控网络分析寻找重要调控因子和信号通路。

5.近日，中国科学院武汉病毒研究所专家在SARS冠状病毒起源与进化研究中取得新进展，专家在我国云南发现了一处蝙蝠SARS冠状病毒的天然基因库，研究揭示了我国蝙蝠携带有不同株具有跨种传播至人群可能性的SARS冠状病毒，揭示了SARS冠状病毒可能的重组起源，为相关疾病的预防提供了重要依据。

6. 最新的针对“雪人”样本的 DNA 检测研究发现，世面上的雪人样本几乎都来自于我们已知的动物。雪人传说吸引着探险家、登山者和当地人好奇的脚步，现在，研究人员宣布，他们终于揭开了这些藏身于喜马拉雅山脉的神秘居民的面纱。科学家研究了 9 份来自于“雪人”的样本，其中包括毛发及牙齿，他们认为这些并非来自传说中巨大的原始人，而是更接近于熊。

7.近日，中国科学院心理研究所心理健康重点实验室的王晶研究组、张建新研究组，与来自荷兰阿姆斯特丹大学的科学家合作，建立目前国际上首个关于PTSD的遗传学数据库。专家表示，这个数据库为后续研究提供广泛而可靠的数据集，通过深入挖掘与分析数据得到PTSD潜在的候选位点，将为验证研究提供可靠候选，他们期待最终揭示PTSD的遗传基础和发病机制。

8.近日，来自纽约基因组中心的研究人员开发了一种利用便携式单分子测序仪快速鉴定人类DNA样本的新方法，名为“MinION sketching”。据了解，这种方法基于Oxford Nanopore公司MinION测序仪和贝叶斯算法，将通过测序发现的随机突变与已知基因组数据库进行比较，可在大约3分钟的测序过程中利用60到300个随机SNP识别出人类DNA，几乎实现了实时的DNA鉴定。

9.中国科学院上海辰山植物科学研究中心蕨类植物多样性与进化研究组，联合中科院植物研究所研究人员，开展大规模的蕨类植物转录组测序。历经4年，采样、测序、分析了涉及全世界蕨类植物PPG系统的11目38科69种，直接采用大规模的直系同源基因构建系统树的策略，分别使用1334个（物种覆盖度90%）和2391个（物种覆盖度75%）直系同源基因构建两个超级基因序列矩阵，最后得到两个完全一致、高支持率的拓扑结构关系。

10. 中国科学技术大学教授蔡刚课题组与南京农业大学王伟武课题组合作，首次揭示了ATR-ATRIP复合体的近原子分辨率结构，揭示了ATR激酶活化的分子机制，为研制新型ATR激酶抑制剂用于肿瘤治疗奠定了结构基础。该研究成果发表于12月1日出版的《科学》杂志上。

11.近日，美国宾夕法尼亚大学医学院的研究人员发现了一个新方法，让研究人员能提取单个线粒体的mtDNA。该研究发现，细胞中不同线粒体DNA有很大不同，这让医生通过检测细胞状况，预测患者是否可能会患有神经系统疾病成为可能。相关研究发表于Cell Reports。

新发表文章

【新技术】

1. SOAPnuke: A MapReduce Accelerationsupported Software for integrated Quality Control and Preprocessing ofHigh-Throughput Sequencing Data.Chen Y et al.Gigascience. 2017 Dec 4.

2. miRquant 2.0: an Expanded Tool forAccurate Annotation and Quantification of MicroRNAs and their isomiRs fromSmall RNA-Sequencing Data.Kanke M et al. J Integr Bioinform. 2016 Dec 1

3. bicycle: a bioinformatics pipeline toanalyze bisulfite sequencing data.Graña O et al.Bioinformatics. 2017 Dec 1.

4. SIDR: simultaneous isolation andparallel sequencing of genomic DNA and total RNA from single cells.Han KY etal.Genome Res. 2017 Dec 5.

【动物】

1. Whole Genome Sequencing of HulunbuirShort-Tailed Sheep for Identifying Candidate Genes Related to the Short-TailPhenotype.Zhi D et al.G3 (Bethesda). 2017 Dec 5.

【植物】

1. Integrated mRNA and microRNAtranscriptome analysis reveals miRNA regulation in response to PVA in potato.LiY et al.Sci Rep. 2017 Dec 5

【微生物】

1. High-resolution single-cell sequencingof malaria parasites.Trevino SG et al.Genome Biol Evol. 2017 Dec 6.

2. Molecular Methods for Detection ofAntimicrobial Resistance.Anjum MF et al.Microbiol Spectr. 2017 Dec

3. Direct detection of Mycobacteriumtuberculosis rifampin resistance in bio-safe stained sputum smears.Lavania S etal.PLoS One. 2017 Dec 7

【肿瘤】

1. Comparative transcriptome analysis ofthe global circular RNAs expression profiles between SHEE and SHEEC celllines.Sun J et al.Am J Transl Res. 2017 Nov 15

2. The Impact of Smoking and TP53 mutationsin lung adenocarcinoma patients with targetable mutations - the Lung CancerMutation Consortium (LCMC2).Aisner DL et al. Clin Cancer Res. 2017 Dec 7.

3. Genomic and transcriptomic heterogeneityin metaplastic carcinomas of the breast.Piscuoglio S et al.NPJ Breast Cancer.2017 Dec 1

4. A six-mRNA signature model for theprognosis of head and neck squamous cell carcinoma.Guo W et al.Oncotarget. 2017Oct 10

5. Novel insights into epigenetic driversof oropharyngeal squamous cell carcinoma: role of HPV and lifestylefactors.Boscolo-Rizzo P et al.Clin Epigenetics. 2017 Nov 28

6. Co-expression network analysisidentified FCER1G in association with progression and prognosis in human clearcell renal cell carcinoma.Chen L et al. Int J Biol Sci.2017 Nov 1

【其他】

1. A comprehensive profile of circulatingRNAs in human serum.Umu SU et al. RNABiol. 2017 Dec 8

2. MicroRNA expression profiling inexosomes derived from gastric cancer stem-like cells.Sun ZP et al.Oncotarget.2017 Sep 27

· END ·