两篇Science文章开创基因组编辑新时代

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2013-01-07  
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利用CRISPR/Cas进行基因组工程，图中不同颜色的剪刀代表着不同的Cas9酶

8 k, ]* G" I: l+ @; v1月3日Science杂志在线版公布了两项最新研究成果，指出利用来自原核细胞免疫系统的酶和RNA也许能开创出全新的，更简便更安全的哺乳动物细胞（包括人类细胞）基因组编辑新方法。
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在这两篇文章中，这两个研究组分别报告了称为规律成簇间隔短回文重复(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPRs)，这是一类广泛分布于细菌和古菌基因组中的重复结构。研究表明，CRISPR与一系列相关蛋白、前导序列一起，能为原核生物提供对抗噬菌体等外源基因的获得性免疫能力。
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3 j( q& b+ V3 k* R2 E% k这种结构的作用机理可能与真核生物的RNA干扰过程类似，最早于1987年在大肠杆菌（Escherichia coli）K12的iap基因侧翼序列中被发现。来自麻省理工学院和哈佛大学的研究团队则利用产脓链球菌（Streptococcus pyogenes）和嗜热链球菌（Streptococcus thermophiles）中的CRISPR酶和RNA，在小鼠和人类细胞的DNA中进行了插入，切割，修复，和编辑。
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4 b0 p9 f" Y* k* W其中一项研究的领先科学家，MIT化学与生物工程学家Feng Zhang表示，“（CRISPR）系统即使在从细菌细胞中取出酶和RNA，然后再插入到哺乳动物细胞中之后，依然能如此有效的工作，这令人惊讶。”
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3 r& O, ^, H4 `2 [, p: c* o在他们的论文中，Zhang和他的同事利用细菌RNA，引导Cas9核酸酶在小鼠和人类基因组的特定基因位点上进行切割，完成了精确的目标链断裂。而在另外一篇文章中，哈佛大学的遗传学家George Church 和他的同事则利用CRISPR方法，成功编辑了几种不同的人类细胞系的基因组，其中包括诱导多能干细胞iPS。

+ W- d$ R& l& O% I" QCas9核酸酶是去年由美国Lawrence Berkeley国家实验室的研究人员发现的，他们也认识到这种酶具有潜在的基因组编辑作用。但这两篇最新论文则是首次证明了Cas9 核酸酶确实能用于编辑哺乳动物细胞基因组。

( v/ C7 a$ D3 g9 ^5 q' ]1 n基于这些最新研究成果，Zhang认为CRISPR比较于其它基因组工程技术，比如锌指核酸酶 (ZFNs) 或转录激活因子样效应物核酸酶（TALENS），具有极大的优势，他表示，“CRISPR更易于操作，也具有更强的扩展性”。

此外，CRISPR还可以同时针对同一细胞中的多个位点进行研究，这对于ZFNs和TALENS两个技术而言难以实现。这种功能在针对多疾病关联突变的研究上，也许能发挥重要作用，多疾病关联突变是通过多个共同作用，引发疾病，而不是单个起作用。“为了鉴别突变的因果关系，我们必须同时进行基因组中多个突变的研究，”Zhang说。

最后CRISPR 系统还有可能成为替代目前基因组工程方法的一种更安全，毒性较低的新方法。Zhang的研究组研发出了一种Cas9的突变版本，这种新Cas9能打开DNA缺口，而不是导致双链断裂。由于修复断裂的诱变过程不太可能修复缺口，因此CRISPR基因组编辑方法也许能适用于临床治疗。