(細菌則利用CRISPR系統(tǒng)可以將病毒基因從自己的染色體上清除)
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?導讀
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?最近，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家在采用基因編輯技術(shù)治療危及生命的嚴重疾病例如癌癥、艾滋病和亨廷頓氏舞蹈病方面，邁出了至關(guān)重要的一步。他們開發(fā)出的新技術(shù)能夠檢查出目前廣泛使用的基因編輯工具CRISPR 的編輯錯誤。
關(guān)鍵字
基因、芯片、健康
背景
也許，很多人都在期盼肥胖、禿頂?shù)扔绊懶蜗蟮募膊∠?，癌癥、艾滋病、乙肝等“不治之癥”也能得以治愈。這有可能嗎？這一切聽起來都有點像科幻小說。然而，一項前沿的生物科技有望讓這一切變?yōu)楝F(xiàn)實，它就是基因編輯技術(shù)。
基因編輯技術(shù)，顧名思義，就是指對目標基因進行“編輯”，實現(xiàn)對于特定基因片段的刪除、插入或重寫等操作。這種技術(shù)有望將艾滋病毒從細胞基因組里清除，從根本上治療艾滋病。同樣，它也有望通過對于錯誤的基因進行修改，治療癌癥、肥胖等由于環(huán)境和遺傳因素引起的疾病。
較為典型的基因編輯技術(shù)有 ZFN （zinc-finger nucleases）和 TALEN （transcription activator-like effector nucleases）為代表的序列特異性核酸酶技術(shù)。
（圖片來源：維基百科）
另外還有一項更加高效、簡易的基因編輯技術(shù)，它就是CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），也被稱為規(guī)律成簇間隔短回文重復。簡單來說，它是一種基因編輯器，是細菌用來對抗病毒、保護自己的系統(tǒng)。病毒在入侵時會將自己的基因整合到細菌中，利用細菌細胞為自己的基因復制服務(wù)，而細菌則利用CRISPR 系統(tǒng)，可以將病毒基因從自己的染色體上清除。
（圖片來源：維基百科）
后來，研究人員發(fā)現(xiàn)這種基因編輯技術(shù)，不僅可用于細菌細胞，還可用于刪除、添加、激活或抑制其他生物體的目標基因。這些目標基因包括人、老鼠、果蠅和農(nóng)作細胞內(nèi)的基因。
CRISPR 技術(shù)如同一把“分子剪刀”，能夠剪短DNA分子。此后，人類就利用這類分子剪刀在試管中“裁剪”DNA，獲取有益的DNA，用于工業(yè)生產(chǎn)，或者對基因進行改良。
（圖片來源：Jenna Luecke and David Steadman/Univ. of Texas at Austin）
目前，科學家們已采用基因編輯工具CRISPR，去編輯幾乎所有生物體的基因代碼。同時，CRISPR 基因編輯技術(shù)也將對于人類健康產(chǎn)生巨大影響。據(jù)報道，已有十多個臨床試驗開始在人類細胞上使用CRISPR，雖然這個方案并不完美。
理論上說，基因編輯的工作方式很像利用文檔工具中的自動糾錯功能，更正文檔中反復出現(xiàn)的錯誤。但是，用于查找并編輯基因的CRISPR分子-蛋白質(zhì)，有時會找錯基因，這就像自動糾錯功能將正確拼寫的單詞轉(zhuǎn)化成錯誤拼寫的單詞。錯誤地編輯基因?qū)硇碌膯栴}，例如導致健康細胞癌變。
創(chuàng)新
針對上述問題，最近美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家開發(fā)出一項新技術(shù)，它能夠檢查出目前廣泛使用的基因編輯工具CRISPR的編輯錯誤。這項研究發(fā)表于《細胞》雜志。
這種新方法可以通過人體全基因組迅速測試CRISPR分子，從而預見出它與目標以外的其他DNA片段相互作用的情況。研究人員稱，這種新方法代表邁出了標志性的一步，它將幫助醫(yī)生將基因療法應(yīng)用于個別病患，確保安全性和有效性。德克薩斯大學奧斯汀分校分子生物科學系的助理教授、該項目的首席調(diào)研員 Ilya Finkelstein 稱：
“你和我的基因編碼中有約一百萬個位點是不同的，因為這種基因多樣性，人類基因編輯總會是一種定制的療法?！?/p>
技術(shù)
研究人員通過DIY的方法開發(fā)設(shè)備和軟件，并使用現(xiàn)有實驗室技術(shù)開發(fā)CHAMP（Chip Hybridized Affinity Mapping Platform）“芯片雜交親和性圖譜平臺”。這項測試核心是標準的下一代基因組測序芯片，它已廣泛應(yīng)用于科研和醫(yī)學。
下圖顯示Finkelstein 等開發(fā)的新技術(shù)，用于檢測CRISPR和目標以外的DNA片段之間的交互作用。它是一種標準的基因組測序玻片（又名“流動池”），由Illumina制造。
（圖片來源：Wikimedia user Bainscou）
下圖是位于下一代測序流動池表面之上的熒光標記的DNA 圖像。圖像由棱鏡型TIRF顯微鏡采集，并且用于CHAMP。CHAMP 是一種新型描述框架，用于高通量、定量分析蛋白質(zhì)DNA，與合成的以及染色體組的DNA之間的交互作用。
（圖片來源：Stephen K. Jones Jr./Univ. of Texas at Austin）
另外兩個關(guān)鍵的因素分別是：用于在顯微鏡下放置芯片的3D打印的底座；以及用于分析結(jié)果的開源軟件。開源有利于其他研究人員在CRISPR的相關(guān)實驗中，輕易復制這項技術(shù)。
價值
德克薩斯大學奧斯汀分校的博士后研究員、論文的領(lǐng)導作者之一 Stephen Jones 稱：
“如果我們要采用CRISPR 提升人類健康，那么我們需要確保最小化附帶損害，這項研究展示出了一種途徑。”
德克薩斯大學奧斯汀分校分子生物科學系教授、應(yīng)用研究實驗室的副總裁、論文的合著者之一 Andy Ellington稱，這項技術(shù)也闡明了新技術(shù)具有不可預知的副作用。Ellington 說：
“下一代的基因組測序技術(shù)的發(fā)明是用于讀取基因，但是我們現(xiàn)在將這項技術(shù)推進了一步，讓我們能夠描述CRISPR如何和基因相互作用的。富有創(chuàng)造力的人們，例如Ilya，發(fā)明了這項技術(shù)并將它拓展到新領(lǐng)域?！?/p>
這項研究也可以幫助研究人員預測出，特定的CRISPR將和哪些DNA 片段相互作用，甚至是在實際基因組上測試之前，因為他們發(fā)現(xiàn)了CRISPR分子選擇目標的潛規(guī)則。例如，他們發(fā)現(xiàn)被測試的CRISPR，也稱為“Cascade”，對于DNA序列中第三個字母的興趣比其他字母要小。Jones 稱：
“所以如果查找單詞'shirt’，那么有可能查找到'short’，這可能沒問題。”
這聽上去有點違反知覺，但是非常有益處。CRISPR 源于細菌的天然防御系統(tǒng)，防止入侵的病毒迅速擴散。一個好的防御系統(tǒng)可以看到病毒基因編碼微小的變化。
更好地了解這些規(guī)則，有利于開發(fā)出更好的計算機模型，用于預測特定的CRISPR分子有可能與哪些DNA片段相互作用，并且將節(jié)省開發(fā)個性化基因療法的時間和金錢。
參考資料
【1】https://news.utexas.edu/2017/06/29/safer-gene-editing-therapy-using-crispr
【2】http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30637-2?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867417306372%3Fshowall%3Dtrue
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