2018年9月CRISPR/Cas最新研究进展

作者：杨超月

2018年9月30日/生物谷BIOON/---基因组编辑技术CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一，受到人们的高度重视。CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称，Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas最初是在细菌体内发现的，是细菌用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。

即将过去的9月份，有哪些重大的CRISPR/Cas研究或发现呢？小编梳理了一下这个月生物谷报道的CRISPR/Cas研究方面的新闻，供大家阅读。

1.Nat Biotechnol：将细菌基因组致病岛改造成一种抗葡萄球菌神器
doi:10.1038/nbt.4203

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）通常对抗生素产生耐药性，因而对安全的医院护理构成威胁。在一项新的研究中，来自美国纽约大学医学院的研究人员发现，从病毒进化而来的基因组“岛屿（islands）”能够转化为阻止金黄色葡萄球菌感染的抗菌“无人机（drones）”。相关研究结果于2018年9月24日在线发表在Nature Biotechnology期刊上，论文标题为“Conversion of staphylococcal pathogenicity islands to CRISPR-carrying antibacterial agents that cure infections in mice”。他们发现某种类型的细菌DNA经基因改造后能够让杀死或致残细菌的基因替换致病性基因。

图片来自Nature Biotechnology, doi:10.1038/nbt.4203。

这种研究中着重关注的这种类型的细菌DNA是一种“致病岛（pathogenicity island, 也译作毒力岛）”，它是从病毒中进化而来的，并且永久地停留在病毒感染的细菌中，成为其遗传系统的一部分。结果就是形成一种混合实体（hybrid entity），这种混合实体含有细菌在繁殖时传递给后代的有用基因，但在某些情况下也会切除细菌上层结构，并像病毒一样被包装在蛋白外壳（衣壳）中，这样就将它的DNA注射到其他的细菌细胞中。

这些研究人员表示，这种进化飞跃的混合体将基因组岛屿塑造成完美的类似于无人机的载体，为细菌群体运送基因载荷（genetic payload）。当通过注射让小鼠遭受致命性的葡萄球菌感染时，他们进行基因改造过的金黄色葡萄球菌致病岛（SaPI）杀死了这些细菌并拯救了这些遭受感染的小鼠。

2.Nature子刊：利用经过CRISPR基因编辑的皮肤贴片阻止可卡因过量吸食
doi:10.1038/s41551-018-0293-z

有尼古丁贴片（nicotine patch）来帮助戒烟，随后还有这个：皮肤贴片，经基因改造后产生一种消化可卡因的酶，并且当被移植到小鼠身上时，它们让这些小鼠抵抗致死剂量的可卡因。在一项新的针对这种皮肤贴片策略的研究，来自美国芝加哥大学的研究人员希望这可能有朝一日能够导致一种治疗人类成瘾和阻止可卡因过量吸食的方法。相关研究结果于2018年9月17日在线发表在Nature Biomedical Engineering期刊上，论文标题为“Genome-edited skin epidermal stem cells protect mice from cocaine-seeking behaviour and cocaine overdose”。论文通信作者为芝加哥大学干细胞研究员Xiaoyang Wu和芝加哥大学成瘾研究员Ming Xu。

Wu团队之前曾使用CRISPR基因编辑技术，用表达胰岛素的细胞为糖尿病小鼠制造出一种皮肤贴片，他想知道这种策略是否也适用于可卡因成瘾。根据一项调查，90多万美国人滥用这种药物。因此，Wu与Xu合作开展实验。

人类天然地会产生一种被称作丁酰胆碱酯酶（butyrylcholinesterase）的酶，这种酶能够降解可卡因，但是这些研究人员想要让他们的皮肤移植物能有更强大的功能。因此，他们使用了另一个研究团队已设计出的这种酶的增强形式，它降解可卡因的活性是这种酶原始形式的4400倍。他们利用CRISPR将编码这种酶加强形式的基因插入到小鼠的皮肤表皮干细胞中，将这些细胞接种到1厘米宽的圆形支架上，然后将所形成的组织（即皮肤贴片）移植到对可卡因上瘾的小鼠身上。

存在的一个问题是这种技术是否能够像相对较小的胰岛素那样，让相对较大的经过修饰的丁酰胆碱酯酶进入血液。不过这个实验取得了成功：在移植两周后，一剂原本会致命的可卡因对小鼠没有明显的影响---显然，这种酶在这种药物（如果有的话）的大多数能够达到小鼠的大脑之前就会将它降解掉。之前对可卡因上瘾的小鼠在接受这种皮肤贴片移植后不再表现出对它们所在的封闭空间中的一个区域的偏好性，这是它们学会了将这个区域与可卡因摄入相关联在一起。在移植10周后，这种皮肤贴片继续产生这种酶直至实验结束。

3.Science：重大进展！构建出增加基因组靶向范围的CRISPR/Cas9系统
doi:10.1126/science.aas9129

在CRISPR/Cas9系统中，酶Cas9在DNA靶位点上进行切割，其中这种靶位点是这样确定的：一种被称作CRISPR RNA（crRNA）的RNA分子利用它的一部分序列与另一种被称作tracrRNA的RNA分子通过碱基配对结合在一起，形成嵌合RNA（tracrRNA/crRNA），然后，借助crRNA的另一部分序列与靶DNA位点进行碱基配对，以这种方式，这种嵌合RNA就能够引导Cas9结合到这个靶位点上并进行切割。在实际应用时，人们可以将tracrRNA和crRNA作为两种向导RNA（gRNA）或者融合在一起形成单向导RNA（single guide RNA, sgRNA），并被用来引导酶Cas9结合到靶DNA序列上并进行切割，其中Cas9与sgRNA一起被称作Cas9-sgRNA系统。

2018年9月CRISPR/Cas最新研究进展

图片来自Frontiers in Genetics, 24 September 2015, doi:10.3389/fgene.2015.00300。