拉菲平台下载手机版·《科学》:重大突破!CRISPR/Cas9系统首次在大型动物体内实现大规模基因编辑,阻止或治疗遗传病

2020-01-11 13:59:18|

拉菲平台下载手机版·《科学》:重大突破!CRISPR/Cas9系统首次在大型动物体内实现大规模基因编辑,阻止或治疗遗传病

拉菲平台下载手机版,今天,来自美国德克萨斯大学的eric n. olson团队在《科学》杂志上发表重要研究成果[1],他们在全世界范围内首次实现在大型动物身上直接成功完成crispr基因编辑,部分器官高达92%的恢复程度让研究人员感到惊讶,连crispr技术的大牛jennifer doudna也表示“自己难以控制自己的兴奋”[2]。

eric n. olson教授

这个成果向人们展示,crispr拥有在大型动物体内直接编辑大量体细胞基因组的能力,为诸多疾病的治疗铺平了道路。毕竟,我们无法退回到受精卵时改变自己的基因。

为什么我们说用crispr直接编辑大型动物意义非凡?

因为以往的研究多是在体外对细胞进行编辑,再送回体内。不过这种方法目前还主要用于少数血液疾病,对于拥有近40万亿细胞的人类,很多器官和组织的疾病就无法用这种方法治疗了,比如肌肉或内脏等等。

也有在小鼠中直接注射crispr进行体细胞编辑的试验,但人体比小鼠大了几百倍,需要高几个数量级的crispr载体,可能要面临更多的脱靶,更低的编辑效率,以及更强的免疫排斥等等问题。小鼠离复杂的人体还差得太远,这时大型动物试验的意义就凸显了。

olson团队这次就是要解决这个问题的。他们选择的大型动物是人类的好朋友狗狗,治疗的疾病是杜氏肌营养不良症。这种遗传病在狗身表现了很多人类的病理和临床特征[3],这也是选择狗作为研究对象的原因之一。

杜氏肌营养不良症并不算罕见,全世界有超过30万患者。这种病是一种x染色体隐性遗传病,所以主要发生在男孩身上。它会使患者全身性肌肉萎缩(注意是全身哦,心肝肺等部位的肌肉都包括在内),很小时便失去行走能力,后来甚至连呼吸的力量都会退化,通常在20-30岁时就会死于呼吸衰竭。

杜氏肌营养不良症发病的原因是dystrophin基因发生了突变,这个基因编码的支架蛋白主要负责支撑肌肉结构。突变使这个支架蛋白失去功能,造成患者全身肌肉退化,包括骨骼肌和心肌等[4]。

杜氏肌营养不良症患者

这个基因结构非常复杂,包括79个外显子。这些外显子正常情况下,在翻译后成蛋白后会有序地排列,就像一个乐高积木。但他们的第45-50个外显子容易发生突变,然后就使积木变得奇形怪状。科学家仔细研究发现,第45-50外显子捣乱,反而会使相邻的第51个外显子受影响,让它看起来像是外来者,阻碍整个积木的搭建[5]。

有意思的是,当科学家把这个51号拿掉之后,这个积木就能摆好了,功能也恢复正常。所以目前治疗这个病的方法就是,让基因转录时跳过这个51号,把它从积木中拿出去。但这个疗法只能让患者的这个蛋白到正常人0.22%-0.32%的水平,少得可怜[6]。

既然是基因上出了问题,何不在基因上直接解决呢?身为上帝手术刀的crispr战士觉得自己可以大展拳脚了,身怀绝技正愁没处施展抱负。

这次被选中的正是患有杜氏肌营养不良症的四只的可怜小狗,他们年仅1个月。而载着crispr/cas9去细胞内进行基因编辑作业的正是腺病毒载体。这次作业的主要任务是在51号外显子处进行编辑,使其在转录时被跳过去。

腺病毒载体是在基因治疗领域奋战的老兵,在上一个基因治疗时代便一直战斗在最前线,虽然屡屡折戟,但壮心不已。这次与crispr相遇,可谓绝配。

全身的肌肉细胞不可计数,首次出征,不可贸然全面进攻,况且敌人隐藏在我方境内,若打草惊蛇,可能会伤及无辜。于是科学家决定先试探敌人虚实,重点进攻一处。

科学家们首先选取了两只患病的小狗,将带有crispr/cas9的腺病毒注射进小狗的一处骨骼肌中。6周后,取注射过腺病毒的肌肉组织进行检测。对肌肉组织的进行检测发现,正常功能的dstrophin蛋白表达量达到了正常小狗肌肉组织的60%,而未注射得病小狗的只有2%,非常明显的恢复!而之前研究表明,恢复到15%就会有很明显的治疗效果[7] 。

正常小狗与患病小狗肌肉注射crispr 前后组织蛋白水平

对肌肉进行检测发现,肌肉的萎缩症状明显减轻,其他病症也显著缓解。同时,检查免疫标志也显示,治疗没有明显的免疫排斥反应,证明治疗是有效且安全的。

正常小狗与患病小狗注射crispr 前后肌肉组织形态变化

初战成功!

试探性进攻,战果不小,接下来就是全面进攻了!

科学家们的最终目的是修正全身的肌肉组织,所以必须要扩大战场,那么通过静脉注射将crispr/cas9载体运送到全身各处才是正途。同时,为了避免伤害到其他细胞的基因组,让crispr/cas9系统只在肌肉中发挥作用,表达系统是用肌肉特异型启动子驱动的。

他们根据小狗的体重调整了腺病毒的剂量,将腺病毒注射进另外两只患病小狗的血液中。注射8周后,取小狗身体各处的肌肉组织进行检测。蛋白含量分析显示,目的蛋白在小狗的胫骨前肌、肱三头肌、肱二头肌、膈肌、心脏和舌肌的水平分别达到野生型的70%、25%、64%、58%、92%和5%。全身各处肌肉都有不停程度的恢复,尤其是心肌中,几乎完全恢复!

正常小狗与患病小狗肌肉静脉注射crispr 前后组织蛋白水平

对小狗的肝肾功能以及造血功能进行检测,发现各项指标都正常,治疗并不会对小狗造成其他伤害。研究者们也对crispr/cas9可能的脱靶效应进行了检测,与对照相比,并没有发现脱靶存在。

本次对小狗的治疗没有造成不可控的安全性问题,crispr/cas9系统首次在大型动物体内的实验成功了。

当然,这次实验样本数量较少,只有四只,且对crispr/cas9脱靶效应的检测只进行到6-8周,安全性问题还需要更多更大的实验进行验证。文章并没有提及小狗生理状态的恢复,比如肌肉力量等等,也还需要进一步的探索。

此外,由于是对体细胞进行的编辑,也就是说新产生的细胞可能还是有缺陷的,疾病还是不能根治,不过与之前的疗法相比,显示了巨大的提升潜力。当然,腺病毒本身的价格还是挺贵的,对于很多人来说难以承担。

本文作者也表示,现在还不急于进行人体试验,还需要继续检验它的安全性和持久性。

但是,本次研究的意义已不须我们多说,仅治疗8周就对全身的肌肉细胞产生了如此大的改善,且效率之高,令本研究的参与者都感到惊讶。

我相信crispr临床治疗的时代不远了。

编辑神叨叨

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参考资料:

[1]http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aau1549.full

[2]cohen (2018) in dogs, crispr fixes a muscular dystrophy, science, doi: doi: 10.1126/science.361.6405.835

[3] j. hildyard, f. rawson, r. harron, d. riddell, c. massey, f. taylor-brown, d. j. wells, r. j. piercy, characterising the skeletal muscle histological phenotype of the deltae50-md dog, a preclinical model of duchenne muscular dystrophy. neuromuscul. disord. 28, s18 (2018)

[4]k. f. o’brien, l. m. kunkel, dystrophin and muscular dystrophy: past, present, and future. mol. genet. metab. 74, 75–88 (2001).

[5]y. li, z. liu, s. ouyang, y. zhu, l. wang, j. wu, distribution of dystrophin gene deletions in a chinese population. j. int. med. res. 44, 99–108 (2016)

[6]y. shimizu-motohashi, s. miyatake, h. komaki, s. takeda, y. aoki, recent advances in innovative therapeutic approaches for duchenne muscular dystrophy: from discovery to clinical trials. am. j. transl. res. 8, 2471–2489 (2016)

[7]c. godfrey, s. muses, g. mcclorey, k. e. wells, t. coursindel, r. l. terry, c. betts, s. hammond, l. o’donovan, j. hildyard, s. el andaloussi, m. j. gait, m. j. wood, d. j. wells, how much dystrophin is enough: the physiological consequences of different levels of dystrophin in the mdx mouse. hum. mol. genet. 24, 4225–4237 (2015)

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本文作者 | 低温艺术家 & biotalker

“crispr君,能把我编辑一下吗?”

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