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  • 2021年度盤點:CRISPR基因編輯技術之不再是開“盲盒”

    【字體: 時間:2021年12月09日 來源:生物通

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      近年來,CRISPR基因編輯技術一步步走向成熟,從最開始令人驚艷的新技術,到去年一舉奪下諾貝爾化學獎的重要時刻,CRISPR基因編輯技術已經不再是單純的基因敲除或敲入的手段,而是成為了多領域多方向的系列工具包。但它本身依然存在靶向和編輯效率等方面的不足。

      

    編者按:疫情籠罩下的2021年生命科學領域不知道該說是好,還是壞,雖然在福布斯排行榜上依然有5位生命科學領域億萬富翁挺進前100名,但對于基層的科研工作者們來說,從科研資金,研究范式,課題選擇,人員配備,甚至數據參考都發生了重要的變化,由此帶來的困境有可能是泥潭,也有可能是縱身一躍的機會。在這個背景下,生物通盤點2021年生命科學領域,讓我們看看有哪些讓人耳目一新的成果。

    近年來,CRISPR基因編輯技術一步步走向成熟,從最開始令人驚艷的新技術,到去年一舉奪下諾貝爾化學獎的重要時刻,CRISPR基因編輯技術已經不再是單純的基因敲除或敲入的手段,而是成為了多領域多方向的系列工具包。但它本身依然存在靶向和編輯效率等方面的不足,2021年CRISPR基因編輯技術的重要進展包括:

    1. Cell發布突破性可逆CRISPR技術:不改變DNA序列,沉默絕大多數基因的簡單新工具

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    在4月9日在線發表在Cell上的一篇論文中,研究人員描述了一種稱為CRISPRoff的新基因編輯技術,該技術使研究人員可以在不改變DNA序列的情況下,以高特異性控制基因表達。

    Jonathan Weissman(美國科學院院士)是CRISPR篩選技術的先驅,他表示:“這里最重要的是,我們現在有了一個可以沉默絕大多數基因的簡單工具,我們可以同時對多個基因進行操作,而不會造成任何DNA損傷,并且具有很高的同質性,而且還可以逆轉。這是控制基因表達的絕佳工具!”

    經典的CRISPR-Cas9系統使用一種在細菌免疫系統中發現的稱為Cas9的DNA切割蛋白。該系統可以使用單個導向RNA靶向人細胞中的特定基因,其中Cas9蛋白在DNA鏈中產生微小的斷裂。然后,細胞現有維修工具修補上它。

    這些方法會改變基本的DNA序列,而且是永久性的。另外,它們依賴于“內部”細胞修復機制,這意味著很難將結果限制為單個所需的改變。

    因此研究人員開始尋找另一種基因編輯器,這種編輯器本身不會改變DNA序列,但會改變它們在細胞中讀取的方式。

    為了構建可以模仿天然DNA甲基化的表觀遺傳編輯器,研究人員創建了一個微型蛋白質機器,該機器在小RNA的引導下可以將甲基粘在鏈的特定位點上。然后將這些甲基化的基因“沉默”或關閉,因此命名為CRISPRoff。

    因為該方法不會改變DNA鏈的序列,所以研究人員可以使用去除甲基的酶來逆轉沉默效果,他們將這種方法稱為CRISPRon。

    2. 張鋒Science最新發文:一種全新的mRNA遞送技術帶來技術變革 

    來自麻省理工學院、霍華德休斯醫學研究所和哈佛大學Broad研究所的研究人員已經開發出一種將藥物傳遞到細胞上的新方法。這個名為SEND的系統可以通過編程來封裝和運送不同的RNA貨物。

    這個名為SEND的系統利用體內形成病毒樣顆粒并結合RNA的天然蛋白質,與其他傳遞方法相比,它可能會引起較少的免疫反應。相關研究成果公布在Science雜志上。

    在Science雜志的報道中,該團隊描述了SEND(Selective Endogenous eNcapsidation for cellular Delivery,選擇性內源性細胞封裝細胞遞送,生物通注)如何利用人類細胞制造的分子,在SEND的中心是一種叫做PEG10的蛋白質,它通常與自己的mRNA結合,并在其周圍形成一個球形的保護囊。研究團隊對PEG10進行了工程改造,使其選擇性地包裝和傳遞其他RNA。然后他們使用SEND將CRISPR-Cas9基因編輯系統傳送到小鼠和人類細胞中,編輯靶標基因。

    文章一作Michael Segel是張鋒實驗室的博士后研究員,他表示PEG10在轉移RNA的能力方面并不是唯一的!斑@就是令人興奮的地方,”Segel說,“這項研究表明,人體內可能還有其他RNA轉移系統,也可以用于治療目的。這也提出了一些非常有趣的問題,即這些蛋白質的自然作用可能是什么!

    3. 時隔兩年,基因編輯先鋒發表Cell等多篇文章:先導編輯效率提高10倍!

    2019年,Broad研究所劉如謙(David R. Liu)教授在Nature雜志發文,開發了一種全新的精準基因編輯工具——先導編輯(Prime Editor),這種方法融合了工程逆轉錄酶和Cas9,將新的遺傳信息直接寫入到靶向DNA位點,從而使用Prime編輯導向RNA進行編輯。

    時隔一年,其研究組再次發文,分別在Cell和Nature Biotechnology雜志上發表了關于先導編輯的進一步研究成果:他們利用Prime Editor糾正了與各種神經退行性疾病、新陳代謝和心血管疾病相關的突變。

    Broad的研究人員與普林斯頓大學、加州大學舊金山分校的科學家合作,確定了限制編輯效率的細胞途徑,并利用這些發現開發了新一代素編輯系統。

    兩項研究的研究人員都證明,新的系統可以更有效地編輯與阿爾茨海默病、心臟病、鐮狀細胞和朊病毒疾病、2型糖尿病和其他疾病相關的突變,同時產生更少的不想要的副產品。

    “這些改進的初始編輯效率和產品純度將許多編輯從一個可能用作研究工具的體系,帶到一個可能作為治療手段的體系,”Broad研究所( Institute)梅金醫療改革技術研究所主任Richard Merkin說。

    4. 華人基因編輯學者最新發文:“迷你”CRISPR基因組編輯系統

    在9月3日發表在Molecular Cell雜志上的一篇論文中,亓磊教授等人宣布了CRISPR向前邁出的重要一步:一個高效、多功能的迷你CRISPR系統。通常使用的CRISPR系統——如Cas9和Cas12a,表示不同版本的CRISPR相關(Cas)蛋白質,它們由大約1000到1500個氨基酸組成,而新系統“CasMINI”只有529個氨基酸。

    研究人員在實驗中證實,CasMINI可以刪除、激活和編輯遺傳密碼,就像它更強大的同類產品一樣。更小的尺寸意味著它更容易進入人體細胞和人體,使其成為治療各種疾病的潛在工具。

    除了蛋白質工程,研究人員還設計了引導Cas蛋白到目標DNA的RNA。對這兩個組成部分的修改對于使CasMINI系統在人類細胞中工作至關重要。他們測試了CasMINI在實驗室人類細胞中刪除和編輯基因的能力,包括與艾滋病毒感染、抗腫瘤免疫反應和貧血相關的基因。它幾乎對他們測試的每一個基因都起作用,在幾個基因上有強大的反應。

    5 . 基因編輯技術現已能100%培育出單性別小鼠

    在科學研究和農業中,通常需要雄性或雌性動物。例如,對雄性或雌性生殖的實驗室研究只需要研究同一性別的動物。在農業中,只有雌性動物才能生產卵子和飼養奶牛。這意味著非必需性別的動物在出生后被宰殺是一種常見的做法。

    研究人員的新方法是利用兩部分遺傳系統在受精后不久使胚胎失活,只允許想要的性別發育。這種以基因為基礎的方法來控制后代的性別,可以大大減少這兩個行業的撲殺。

    胚胎選擇是基于CRISPR-Cas9有兩個元素的事實——Cas9酶切割DNA,允許科學家改變特定區域,以及引導RNA,將Cas9攜帶到基因組的正確位置。該團隊將該系統的一個元素放在父親的X或Y染色體上,這意味著它將分別由女性胚胎和男性胚胎遺傳。另一種元素由母親貢獻,由所有胚胎繼承。

    他們的目標是Top1基因,這對DNA復制和修復至關重要。當一個由精子和卵子組成的胚胎,每個精子和卵子都含有一半的CRISPR-Cas9,基因編輯在胚胎中被觸發,它不能發展超過16到32個細胞的非常早期階段。

    使用這種方法,研究人員能夠100%有效地控制幼崽的性別。為了產下一窩雄性幼崽,研究人員編輯了父親的X染色體,這意味著只有雌性繼承了有害的突變,而對于一窩雌性幼崽,他們編輯了Y染色體。

    6.NEJM里程碑:首個體內CRISPR基因編輯臨床試驗結果公布 

    6月26日,Intellia和Regeneron聯合宣布,兩家公司開發的體內CRISPR-Cas9基因組編輯療法NTLA-2001治療轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變(ATTR)I期臨床研究獲得積極中期數據。中期結果顯示,第28天,0.1 mg/kg劑量組血清TTR蛋白水平較基線平均降低了52%,而0.3 mg/kg劑量組-血清TTR蛋白水平降低了87%。這是首個支持人體體內CRISPR基因組編輯的安全性和有效性臨床試驗數據。該研究中期數據已在2021年周圍神經學會(PNS)年會上公布,并發表在《新英格蘭醫學雜志》上。

    此次公布的中期數據包含目前在英國和新西蘭進行的I期試驗中兩個單次劑量遞增隊列中6名ATTRv-PN患者,3例患者接受0.1 mg/kg 單劑NTLA-2001治療,3例接受0.3 mg/kg單劑NTLA-2001。NTLA-2001可使患者血清TTR呈劑量依賴性降低,第28天測定結果顯示,0.1 mg/kg劑量組3例患者血清TTR平均降低52%,0.3 mg/kg劑量組3例患者平均降低87%,其中1例患者降低96%。相比之下,ATTRv-PN標準護理患者需接受長期治療,通常TTR可降低約80%。

    在確定了該研究劑量遞增部分推薦劑量后,Intellia預計將在今年晚些時候開展I期試驗的第2部分——單劑量擴展隊列研究。在完成I期試驗后,該公司計劃開展針對ATTR淀粉樣變多發性神經病和心肌病的關鍵研究。

    “首個臨床數據表明,只需靜脈注射一次CRISPR,我們便可以通過精確編輯體內靶細胞治療遺傳性疾病。 試驗的中期結果支持了我們的信念,即單劑NTLA-2001具有終止和逆轉ATTR毀滅性并發癥的潛力! Intellia 總裁兼首席執行官John Leonard博士說,“通過NTLA-2001,我們克服了CRISPR/Cas9靶向轉運至肝臟的挑戰,也開啟了用我們的模塊化平臺治療一系列其他遺傳疾病的大門,我們計劃迅速推進和擴充我們的管線。這些數據使我們相信,我們正在真正開啟醫學的新時代。

    (生物通)

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