CRISPR 基因编辑技术再优化!麻省理工新开发 PASTE 有望治大量基因突变疾病

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可编程的基因体对于基因治疗与研究皆十分重要,而目前常用的植入 DNA 序列的方法为利用CRISPR-Cas91,2,3 对双链断裂(double-strand break, DSB)的细胞反应来诱导其修复。

美国麻省理工学院(MIT)的研究团队于 CRISPR 系统的基础上,设计了一种全新的基因编辑工具“PASTE”(Programmable Addition via Site-specific Targeting Elements),可更安全、有效地“剪掉”有缺陷的基因并加以替换,有望治疗具大量基因突变缺陷所引起的疾病,如囊肿纤维化(cystic fibrosis, CF)。此创新研究结果于日前刊登于 Nature Biotechnology 期刊中。

现有的 CRISPR 基因编辑技术

CRISPR-Cas9 基因编辑系统由 DNA 切割酶 Cas9 与一条短链 RNA 所组成,透过后者引领切割酶至基因特定区域进行切割,而细胞 DNA 在修复过程会将切口接合,进而导致一小部分的基因体被删除。不过若有特别导入 DNA 模板,可让细胞在修复过程中将正确的基因体整合其中。

然而此过程会需要细胞的 DNA 进行双链断裂,可能将使染色体产生有害缺失或重排。另外,CRIPSR-Cas9 也受限于只能用于分裂中的细胞,因未分裂者并无 DNA 修复过程。有鉴于此,MIT 研究团队想另开发全新的技术,使其在替换基因时不会引起任何 DNA 双链断裂的情形。

新基因编辑工具 PASTE

研究团队根据新工具的特性“透过标靶特异性进行编程添加”(Programmable Addition via Site-specific Targeting Elements)将其命名为 PASTE,其包含两种技术,一为改造过的 Cas9 切割酶,可用于辨识特定 DNA 序列,并仅针对其中一股 DNA 进行切割,再透过一段 RNA 引导的反转录酶(reverse transcriptase)于特定位置进行基因编辑,迳行替换特定序列。另一技术则为整合酶,研究团队将可植入长链 DNA(至多 50,000 个碱基对)的丝胺酸整合酶(serine integrases)植入噬菌体(bacteriophages)病毒中,再让其与名为“着位点”(landing pads)的特定基因体序列结合,使整合酶能于宿主基因体中准确的整合其携带的 DNA 序列。

目前研究团队已透过 PASTE 可将基因插入多种类型的人体细胞,包含肝细胞、T 细胞、、淋巴原细胞(lymphoblasts),其成功率为 5-60%;并也因未产生双链锻炼情形,而将“插入缺失”(indels)的情形发生率降至最低。

此外,团队已成功利用此工具插入长达 3.6 万个碱基对的 DNA 序列,并相信序列长度还能再更突破,若能针对大型基因体进行整合将对基础科学与生技研究有巨大价值。现阶段研究团队正钻研著如何进一步将此工具应用于大量基因缺陷所引起之疾病,如囊肿纤维化的治疗,望能带给此神经性疾病患者新希望。

延伸阅读:具开发潜力的基因编辑技术!美康乃尔研究揭 CRISPR 新机转!

参考资料:
1. https://news.mit.edu/2022/crispr-gene-editing-dna-1124
2. https://www.nature.com/articles/s41587-022-01527-4

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