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风口浪尖的CRISPR

作者:medicilon   上传日期:2020-07-28  阅读次数:

CRISPR在近几个月的医药新闻中可谓出尽了风头,证明临床疗效及安全性的里程碑事件,伴随着CRISPR不稳定、无法控制的基因突变位点研究,把CRISPR基因编辑疗法推上风口浪尖。下面本文将对CRISPR及近期事件进行梳理,结构如下:

CRISPR基因编辑技术

发现
上个世纪八十年代末,日本科学家在几种细菌的基因组上发现了这么一长串很有个性的序列,这段序列上多段重复的DNA序列并间隔有多段千变万化的非重复序列。这一发现可以说埋下了CRISPR发现的种子。
二十世纪初,随着大规模基因组测序技术的成熟和生物信息学的兴起,人们逐渐积累了大量细菌物种完整的DNA序列信息。在对比中研究人员发现,这段类似的奇怪序列出现在了数十种细菌和古细菌的基因组中,且其中的非重复序列与已知噬菌体的基因组序列信息高度一致。
这种大规模的发现证明这段奇怪基因的存在并非是某种巧合,于是生物学家们便开始猜想并试图解开这段基因存在的意义。2007年,科学家在嗜热链球菌中严格证明了CRISPR序列对于细菌免疫系统的功能。利用基因重组技术将一段CRISPR序列人工添加到细菌中,细菌便可以产生与该段CRISPR序列基因相同的病毒的入侵。不仅如此,细菌还可以将这段CRISPR序列整合到自己的基因组中,产生“记忆”,以应对同种病毒的再一起侵袭。

CRISPR/Cas结构

机制
CRISPR序列与CRISPR associated共同组成了CRISPR/Cas系统,这是一种RNA介导的适应性免疫系统,存在于大约48%细菌和95%古细菌中,可提供序列特异性保护以抵抗外来的DNA甚至RNA。
这个防卫包含三个阶段:
  • (1)适应性阶段,直接重复序列(repeat)被易变的DNA序列间隔开组成CRISPR序列,此时的DNA序列称为spacer。Cas蛋白切割外来DNA片段,外来DNA片段称为protospacer,然后将其整合到CRISPR序列上,这时外来DNA片段更名为spacer;
  • (2)表达阶段,CRISPR序列经过转录、切割成为成熟的crRNA;
  • (3)干扰阶段,crRNA招募Cas效应蛋白复合物特异性切割病毒同源性DNA。

CRISPR介导的免疫反应

应用
CRISPR可以对基因进行精准的定点编辑,随着研究的深入,CRISPR/Cas技术已经被广泛的应用,除了基因敲除,基因替换等基础编辑方式,它还可以被用于基因激活,疾病模型构建,甚至是基因治疗。
CRISPR在临床上最早被用来治疗β-地中海贫血。Β-地中海贫血是由于患者胚胎DNA序列中的单核苷酸错误。CRISPR/Cas可以精准地找到DNA序列中错误的位点,并进行定点修复,达到治愈患者的目的。
除了在血液方面的应用,CRISPR在癌症治疗当中也蕴含着很大的潜力,CRISPR与CAR-T细胞的强强联手为攻克癌症带来了新的希望。2016年7月,Nature报道了中国卢铀教授的研究,他计划用CRISPR技术编辑的T细胞治疗转移性非小细胞肺癌患者,此项研究进展到11月时正式将编辑后的T细胞注射到1例肺癌患者体内。在四年后,今年04月份的Nature Medicine上,该团队发表文章表明研究支持基因编辑的安全性和有效性。最终结果显示,完成12例三线及以上治疗失败的晚期肺癌患者的基因编辑细胞治疗,受试者安全性和耐受性良好,无3级及以上细胞治疗相关毒性发生和治疗相关性死亡。在有效性的证明上,中位无进展生存时间和中位生存时间的数据分别是7.7周和42.6周。
但与此同时,近期的三项毒理的研究都表明,在人类胚胎进行CRISPR基因编辑会引起大量DNA的缺失和重组。影响基因编辑应用的两个重大因素为on-target efficiency在靶率和off-target efficiency脱靶率。脱靶率是crRNA不单识别靶DNA,其他个别碱基不同的DNA也可识别并切割,这就产生错配容忍率,应用在基因组中,本来只需要切割A基因,结果正常的B基因也被切断了,会造成生物安全性问题。然而近期的研究表明,CRISPR/Cas9也会在目标位点附近引入不必要的突变,也就意味着on-target在靶率中也有一部分会在基因编辑中产生副作用,而这是更加难以预防和避免的。
守望
面对意想不到的编辑后果和难以预测的DNA修复,今后的研究需要更清楚的掌握CRISPR的机制并设法寻找控制CRISPR,减少其对基因组带来的不必要的编辑和突变。美迪西作为新药研发CRO,也将密切关注基因编辑疗法的研究进展,守望基因编辑疗法的成熟和稳定运用,助力人类健康的进一步改善!
参考链接:
  • http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2014/crispr-a-game-changing-genetic-engineering-technique/
  • https://www.nature.com/articles/s41591-020-0840-5
  • https://www.nature.com/articles/d41586-020-01906-4

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