基因編輯技術(shù)

CRISPR-Cas9工具讓科學(xué)家?guī)缀跄茈S意改變基因組。人們稱贊它比以往的技術(shù)明顯更簡(jiǎn)單、更廉價(jià)及更通用。CRISPR-Cas9在各地的實(shí)驗(yàn)室中大放光彩，并帶來了一些醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究的新應(yīng)用。但該技術(shù)也有其局限性。美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程師Prashant Mali指出，它擅長(zhǎng)到基因組的一個(gè)特定位點(diǎn)，并在那里完成切割。“但有時(shí)候你感興趣的應(yīng)用還要多一點(diǎn)。”

[Argonaute]

今年年初，研究人員懷著熱情撲向了一種名為NgAgo的新基因編輯系統(tǒng)。這也顯示了他們對(duì)CRISPR-Cas9存在不滿，以及尋找替代方法的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)家George Church說：“這暗示了每種新技術(shù)是多么的脆弱。”NgAgo只是不斷擴(kuò)大的基因編輯工具庫(kù)中的一員。在該工具庫(kù)中，有些是CRISPR的變體，另一些則為編輯基因組提供了新途徑。

迷你版Cas9

或許有一天，CRISPR-Cas9會(huì)被用來改寫導(dǎo)致遺傳疾病的一些基因。但這一系統(tǒng)的組件——Cas9酶和引導(dǎo)其到達(dá)目標(biāo)序列的一段RNA過大，無法填塞到基因治療zui常用病毒的基因組中并將外源遺傳物質(zhì)運(yùn)送到人類細(xì)胞中。從葡萄球菌中取得的迷你Cas9形式是一種解決方案。它非常小，可以硬塞進(jìn)當(dāng)前市場(chǎng)上基因治療采用的病毒中。去年12月，兩個(gè)研究小組利用迷你Cas9在小鼠中糾正了導(dǎo)致杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良的基因。

擴(kuò)大范圍

Cas9不會(huì)到處進(jìn)行切割——某一DNA序列必定存在于切割位點(diǎn)附近。這一要求在許多基因組中很容易得到滿足，但對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)來說可能是令人痛苦的限制。研究人員正在尋找一些微生物提供有著不同序列要求的酶，這樣便可以擴(kuò)大能夠改造的序列數(shù)量。這樣的一種酶Cpf1，可能成為有吸引力的替代品。比Cas9更小的Cpf1有不同的序列要求，且高度特異。另一種叫作C2c2的酶，靶向RNA而非DNA——這一特征有潛力用于研究RNA及利用RNA基因組對(duì)抗病毒。

真正的編輯器

許多實(shí)驗(yàn)室只利用了CRISPR-Cas9刪除基因的一部分，由此破壞其功能。Church說：“人們想將這樣的編輯宣布為勝利，但燒掉書的一頁(yè)并不等于編輯了這本書。”那些想用一段序列交換另一段序列的研究人員，則面對(duì)著一個(gè)更艱難的任務(wù)。當(dāng)Cas9切割DNA時(shí)，細(xì)胞往往會(huì)在縫合斷裂端時(shí)生成一些錯(cuò)誤。這可以造成許多研究人員想要的缺失。

想要改寫一段DNA序列的研究人員，依賴于可以插入新序列的不同修復(fù)信號(hào)通路——發(fā)生這一過程的頻率比容易出錯(cuò)的縫合要低得多。明尼蘇達(dá)大學(xué)植物學(xué)家Daniel Voytas說：“每個(gè)人都說，未來或能一次編輯多個(gè)基因，而我認(rèn)為：我們現(xiàn)在甚至無法編輯一個(gè)基因。

但過去幾個(gè)月里的一些進(jìn)展給Voytas帶來了希望。在今年4月，研究人員宣布他們讓Cas9喪失功能，將其與可將一種DNA堿基轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环NDNA堿基的酶連接在了一起。喪失能力的Cas9仍然靶向它的向?qū)NA的序列，但無法進(jìn)行切割：其連接的酶轉(zhuǎn)變了DNA堿基，zui終將此處的C堿基轉(zhuǎn)變成了T堿基。近日，發(fā)布在《科學(xué)》雜志上的一篇論文報(bào)道了類似結(jié)果。Voytas等人希望連接其他使得Cas9喪失功能的酶將生成不同的序列改變。

追逐Argonaute

今年5月，發(fā)表在《自然—生物技術(shù)》雜志上的一篇論文推出了一個(gè)全新的基因編輯系統(tǒng)。研究人員稱，他們能夠利用一種叫作Argonaute的蛋白無需向?qū)NA或一段特定的鄰近基因組序列，可在預(yù)定位點(diǎn)切割DNA。轉(zhuǎn)而他們采用了對(duì)應(yīng)靶區(qū)域的一段短DNA序列編程了Argonaute蛋白。這一研究發(fā)現(xiàn)引發(fā)了關(guān)于CRISPR-Cas9將被取代的興奮與猜測(cè)，但一些實(shí)驗(yàn)室迄今為止無法重現(xiàn)這些結(jié)果。韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)基因組工程師Jin-Soo Kim提到，即便如此，來自其他細(xì)菌的Argonaute仍有望提供一條前進(jìn)的道路。

編程一些酶

另一些基因編輯系統(tǒng)也在準(zhǔn)備中，盡管有些已徘徊多年。在一個(gè)大型細(xì)菌研究計(jì)劃中，Church的實(shí)驗(yàn)室并沒有觸及CRISPR，而是依靠了一種叫作lambda Red的系統(tǒng)，無需向?qū)NA可以編程lambda Red以改造DNA序列。然而，盡管該實(shí)驗(yàn)室已開展了13年的研究，lambda Red還是只能在細(xì)菌中起作用。Church等人表示，實(shí)驗(yàn)室也正在致力于開發(fā)整合酶和重組酶，用作基因編輯器。 “通過利用酶的多樣性，我們可以生成更強(qiáng)大的基因組編輯工具箱。我們必須繼續(xù)探索這些未知的事物。”