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2019年5月CRISPR/Cas最新研究進展

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基因組編輯技術CRISPR/Cas9被《科學》雜志列為2013年年度十大科技進展之一,受到人們的高度重視。CRISPR是規律間隔性成簇短回文重復序列的簡稱,Cas是CRISPR相關蛋白的簡稱。CRISPR/Cas最初是在細菌體內發現的,是細菌用來識別和摧毀抗噬菌體和其他病原體入侵的防御系統。 

圖片來自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 

2018年11月26日,中國科學家賀建奎聲稱世界上首批經過基因編輯的嬰兒---一對雙胞胎女性嬰兒---在11月出生。他利用一種強大的基因編輯工具CRISPR-Cas9對這對雙胞胎的一個基因進行修改,使得她們出生后就能夠天然地抵抗HIV感染。這也是世界首例免疫艾滋病基因編輯嬰兒。這條消息瞬間在國內外網站上迅速發酵,引發千層浪。有部分科學家支持賀建奎的研究,但是更多的是質疑,甚至是譴責。

過去的5月份,有哪些重大的CRISPR/Cas研究或發現呢?小編梳理了一下CRISPR/Cas研究方面的新聞,供大家閱讀。

 
 

1

 

Science子刊:經過CRISPR編輯的B細胞產生抗體,對抗難以治療的病毒

doi:10.1126/sciimmunol.aax0644

盡管進行了數十年的研究,但尚未有得到批準的疫苗能夠長期預防流感病毒、愛潑斯坦巴爾病毒(EBV)或呼吸道合胞病毒(RSV)。比如,對作為一種引起呼吸道感染的病原體的RSV而言,高風險嬰兒每月接受合成抗體注射,以便在短期內保護這些嬰兒。近年來,幾組研 究人員探索了一種不同的方法:利用免疫系統自身產生抗體的B細胞,并利用CRISPR對它們進行改造,以便在感染的情況下按要求大量表達針對這些難以治療的病毒的抗體。

在一項新的研究中,來自美國弗雷德哈欽森癌癥研究中心和華盛頓大學的研究人員通過這樣做,成功地對人類和小鼠B細胞進行基因修飾來表達靶向HIV、EBV、流感病毒和RSV的抗體。他們還證實這些經過基因改造的B細胞在小鼠感染模型中阻止RSV感染。相關研究結果發 表在2019年5月17日的Science Immunology期刊上,論文標題為“B cells engineered to express pathogen-specific antibodies protect against infection”。

 

為了對B細胞進行修飾,弗雷德哈欽森癌癥研究中心免疫學家Justin Taylor和他的團隊探究了在之前研究中經證實有效對抗這四種病毒中的每一種的抗體。他們使用一種常規的CRISPR策略將編碼抗體的DNA插入到在原代人B細胞的抗體編碼基因上產生的小切口中。

這些研究人員設計了這種插入,使得新抗體蛋白的表達受到這些細胞自身啟動子的調節,從而允許這些細胞能夠像正常那樣在經受病毒抗原觸發后產生它們。他們將盡可能多地讓這些經過修飾的B細胞分化為分泌抗體的血漿B細胞,這些血漿B細胞在它們的細胞表面上表達 這些抗體并分泌它們。

一旦這些研究人員證實這些經過修飾的B細胞中的一個合理比例確實表達這些新抗體,他們就會研究這些細胞是否在小鼠中抵抗病毒感染。他們在小鼠B細胞中重復了這個過程,誘導它們表達靶向RSV的抗體,將成功修飾的B細胞群體灌注到正常的嚙齒動物中,然后等待一 段時間。六天后,RSV特異性抗體出現在它們的血清中,但沒有出現在對照小鼠中。這些小鼠中的一些動物接受鼻內劑量的RSV注射,這些經過修飾的B細胞成功地抵抗這種病毒。五天之后,這些研究人員幾乎沒有在血液中含有這些經過修飾的B細胞的小鼠肺部中檢測到任 何水平的RSV,但是他們在不含有這些B細胞的對照小鼠中發現了高水平的這種病毒。

 

 
 
 
 

圖片來自Science Immunology, 2019, doi:10.1126/sciimmunol.aax0644。

 
 

2

Cell:首次發現阻斷CRISPR-Cas9基因組編輯的小分子抑制劑
doi:10.1016/j.cell.2019.04.009


在一項新的研究中,來自美國布羅德研究所等研究機構的研究人員發現釀膿鏈球菌Cas9(SpCas9)的首批小分子抑制劑能夠更精確地控制基于CRISPR-Cas9的基因組編輯。具體而言,他們通過開發一系列高通量生物化學分析方法和基于細胞的分析方法,篩選了許多小分子 ,以便鑒定出能夠破壞SpCas9與DNA結合因而干擾它的DNA切割能力的化合物。這些首批小分子CRISPR-Cas9抑制劑很容易進入細胞,并且比之前發現的抗CRISPR蛋白小得多。這些新化合物可以對基于SpCas9的編輯技術進行可逆的和劑量依賴性的控制,包括它們在哺乳動物 細胞中進行基因編輯、堿基編輯和表觀遺傳編輯的應用。相關研究結果發表在2019年5月2日的Cell期刊上,論文標題為“A High-Throughput Platform to Identify Small-Molecule Inhibitors of CRISPR-Cas9”。 

論文通訊作者、布羅德研究所的Amit Choudhary說道,“這些技術為快速鑒定和使用針對SpCas9和下一代CRISPR相關核酸酶的小分子抑制劑奠定了基礎。靶向CRISPR相關核酸酶的小分子抑制劑具有廣泛應用于基礎研究、生物醫學和國防研究以及生物技術應用的潛力。”

3

 

PLoS Biol:中國科學家評論 能天然抵御HIV感染的基因編輯嬰兒真的好嗎?

doi:10.1371/journal.pbio.3000224

近日,一項刊登在國際雜志PLoS Biology上的研究報告中,來自中國科學院的科學家們通過研究表示,對人類進行生殖細胞系基因編輯的首個報道案例是非常糟糕且有背倫理道德的。

文章中,研究者批評了去年在第二屆基因編輯世界峰會上中國研究者賀建奎發表的研究,即其描述了利用CRISPR/Cas9基因編輯技術來修改機體中CCR5基因,該基因編碼了一種HIV用于進入人體白細胞所需的特殊受體,CCR5基因在兩個胚胎中進行了修飾,最后兩個修飾后的女嬰誕生了,研究者認為,利用基因編輯技術制造出對HIV感染產生免疫的嬰兒對于其父親為HIV陽性是非常必要的。

本文研究中,研究者認為,上述項目在多個層面上存在誤解,通過已經建立的輔助生殖技術在孕期可以實現避免HIV的感染,而且在出生后通過共同的風險避免措施就能夠有效避免HIV的感染,盡管天然存在的CCR5突變與一些歐洲人群對HIV的抗感染有關,但該突變并不能有效阻斷所有HIV毒株的感染,而且目前尚沒有研究來闡明器對中國人群的潛在健康影響,而且賀建奎并未剔除詳細的計劃來追蹤嬰兒評估其后期的健康影響。

研究者認為,賀建奎的研究工作依賴于關于分子過程和基因編輯后果的具體假設,而這些假設是具有爭議性的,此外,其科學的質量并不是合格的,因為有些實驗缺乏適當的復制,而且其對脫靶的分析也并不充分。賀建奎及其團隊的行為嚴重違背了中國的法規及國際科 學界達成的共識,研究者Haoyi Wang表示,我們對此表示強烈潛在,因為其行為在科學和道德上都是非常不負責任的,有關機構應該對此進行深入調查并發布相關數據,后期還應該通過明確和嚴格的法律規定來規范未來科學家們對人類生殖細胞系所進行的基因編輯實驗研究。

4

 

Science子刊:一種新型腺嘌呤堿基編輯器可讓細胞RNA編輯最小化

doi:10.1126/sciadv.aax5717

在一項新的研究中,來自美國布羅德研究所和哈佛大學的研究人員發現有證據表明使用堿基編輯器會導致細胞中出現意想不到的RNA編輯。相關研究結果發表在2019年5月8日的Science Advances期刊上,論文標題為“Analysis and minimization of cellular RNA editing by DNA adenine base editors”。在這篇論文中,他們描述了他們對CRISPR類型腺嘌呤堿基編輯器(ABE)的研究,以及他們取得的發現。

 

ABE將一個DNA堿基對轉換成另一個DNA堿基對,從而允許修復某些細胞類型中的突變,而不會產生不想要的編輯效應。據認為,ABE還有潛力校正幾乎一半已知的導致醫學疾病的遺傳異常。ABE的科學基礎對醫學界來說變得越來越重要。不幸的是,最近的一些研究已發現,ABE可能也會導致意料之外的編輯。在今年3月,一個研究團隊發現胞嘧啶堿基編輯器3型(CBE3)以高于正常的速率誘導單核苷酸變異。在上個月,另一個研究團隊發現胞嘧啶堿基編輯器(CBE)和ABE導致RNA中的脫靶編輯。在這項新的研究中,這些研究人員試圖在使用ABE時進一步測試脫靶編輯,并在確認后找到一種解決方案。

這些研究人員以一種包括人細胞系中所有細胞RNA轉錄本的方式分析了ABE的最新版本,稱為ABEmax,而且他們使用比其他人使用的更靈敏的工具來做到這一點。他們報道他們確實在RNA樣本中發現了低水平的脫靶編輯。為了解決這個問題,他們開發了在保留在靶堿基編輯的能力同時導致較少RNA編輯的新型ABE變體(基于滅活的野生型大腸桿菌)。他們進一步報道說,這些新型變體是以一種讓RNA和DNA編輯過程解耦合的方式構建出來的,這樣就能夠最大限度地減少DNA和RNA中的脫靶編輯。

 
 
 
 

圖片來自Vossman/Wikipedia。
 

5

PNAS:CRISPR助力人類神經細胞的寨卡病毒抗性篩選

doi: 10.1073/pnas.1900867116

寨卡病毒(ZIKV)是一種神經性和神經毒性蟲媒病毒,對發育中的人類胎兒大腦會產生嚴重的不利影響。迄今為止,人們對ZIKV感染人類神經細胞所需的因素知之甚少。

最近,研究人員使用全基因組CRISPR-Cas9敲除篩選,在人多能干細胞(hPSC)衍生的神經祖細胞(NP)中鑒定了ZIKV宿主基因。研究人員發現,涉及乙酰肝素硫酸化,內吞作用,內質網加工,高爾基體功能和干擾素活性的宿主因子的突變賦予細胞對ZIKV的烏干達菌株和最近的北美分離株的感染的抗性。 

在人NP中鑒定的ZIKV復制必需的宿主基因也在同基因人星形膠質細胞中提供低水平的針對ZIKV的保護。

因此,該研究結果提供了對高度脆弱的人類NP細胞中ZIKV感染的宿主依賴性機制的見解,并確定了潛在治療干預的分子靶點。


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