基础医学

Nature子刊:重大突破!利用CRISPR-Gold在体内诱导同源介导的DNA修复

作者:佚名 来源: medicalxpress 日期:2017-10-05
导读

          CRISPR-Gold由15纳米的金纳米颗粒组成,这些金纳米颗粒偶联着经过硫醇修饰的寡核苷酸(DNA-Thiol),这种DNA-Thiol与单链供者DNA杂交,随后与Cas9形成复合物,并且被一种破坏细胞的內吞体的聚合物包裹着。图片来自Murthy/Conboy/Nature Biomedical Engineering。

关键字:  DNA修复 

        CRISPR-Gold由15纳米的金纳米颗粒组成,这些金纳米颗粒偶联着经过硫醇修饰的寡核苷酸(DNA-Thiol),这种DNA-Thiol与单链供者DNA杂交,随后与Cas9形成复合物,并且被一种破坏细胞的內吞体的聚合物包裹着。图片来自Murthy/Conboy/Nature Biomedical Engineering。

        2017年10月5日/生物谷BIOON/---虽然很有前景,但是CRISPR-Cas9基因编辑的应用迄今为止因遭受运送挑战---也就是如何把所有的CRISPR组分提供给每个需要它们的细胞中---而受到限制。在一项新的研究中,来自美国加州大学伯克利分校、GenEdit公司和日本东京大学的研究人员通过注射一种他们称为CRISPR-Gold的载体,成功地修复杜兴氏肌肉营养不良(Duchenne muscular dystrophy)模式小鼠体内发生的抗肌营养不良蛋白(dystrophin)基因突变。CRISPR-Gold含有Cas9蛋白、向导RNA(gRNA)和供者DNA,它们都被包被在微小的金纳米颗粒周围。相关研究结果于2017年10月2日在线发表在Nature Biomedical Engineering期刊上,论文标题为“Nanoparticle delivery of Cas9 ribonucleoprotein and donor DNA in vivo induces homology-directed DNA repair”。

        美国塔夫茨大学生物医学工程师Qiaobing Xu说,这些作者们“在基因编辑领域取得了巨大的进步。” Xu未参与这项研究,但是针对这项新的研究发表了一篇附随评论文章。Xu解释道,鉴于他们的方法是非病毒性的,这将使得因持续存在的Cas9活性而产生的潜在脱靶效应最小化。当利用病毒载体运送Cas9模板时,脱靶效应会发生。

        杜兴氏肌肉营养不良是是一种由抗肌营养不良蛋白缺乏引起的肌肉退化性疾病。在大约三分之一的患者中,编码抗肌营养不良蛋白的基因发生小片段缺失或者单碱基突变,从而使得它丧失功能,这就让这种基因成为基因编辑的一种极佳的候选对象。科学家们之前已利用病毒运送CRISPR-Cas9组分来剔除这个基因中发生突变的外显子,并且让这种疾病的模式小鼠获得临床上的症状改善。

        论文共同通信作者、加州大学伯克利分校药物运送研究员Niren Murthy告诉《科学家》杂志,“在这篇论文中,我们实际上能够通过同源介导修复(homology-directed repair, HDR)对抗肌营养不良蛋白基因进行校正,使得它返回到野生型序列。治疗这种疾病的另一种方法是外显子跳读(exon skipping),即剔除一些外显子,使得抗肌营养不良蛋白能够产生,但是它在功能上不如它的野生型蛋白。”

        这些研究人员构建CRISPR-Gold载体的方法是他们对DNA进行修饰使其能够粘附到金纳米颗粒上。这种偶联着金纳米颗粒的DNA结合到进行HDR修复所需的供者DNA上,随后Cas9蛋白和gRNA依次结合上来。他们利用一种聚合物包被着这整个复合物。这种聚合物似乎触发內吞作用(endocytosis),随后促进Cas9蛋白、gRNA和模板DNA从细胞的內吞体(endosome)中逃出来。

        论文共同通信作者、在加州大学伯克利分校研究组织修复的研究员Irina Conboy解释道,为了进行HDR修复,“你必须给细胞提供Cas9蛋白、gRNA和一种大片段DNA。利用这种gRNA,你将Cas9引导到基因组的一个特定部分。这种大片段DNA作为一种模板对突变序列进行编辑,使得它变成野生型序列。它们都必须同时出现在同一个地方,因此,在我们的基因编辑系统中,你需要一种纳米颗粒来同时运送所有的这三种处于活性状态的关键组分。”

        Conboy、Murthy和同事们发现CRISPR-Gold在体外的多种细胞类型(包括人胚胎干细胞和小鼠肌肉细胞)中诱导靶基因发生HDR修复。他们随后通过将它注射不产生抗肌营养不良蛋白的杜兴氏肌肉营养不良模式小鼠中来测试CRISPR-Gold在体内发生HDR修复的效率。注射单剂CRISPR-Gold两周之后会恢复这些小鼠体内的抗肌营养不良蛋白水平,并且在接受注射的小鼠肌肉中,将大约5%的编码抗肌营养不良蛋白的基因拷贝发生的相关点突变校正为野生型序列。在不存在金纳米颗粒的情形下,注射Cas9蛋白、gRNA和供者DNA仅校正不到1%的编码抗肌营养不良蛋白的基因拷贝。在接受CRISPR-Gold注射的小鼠中,肌肉功能也得到改善。

        美国马萨诸塞大学阿默斯特分校药物运送与纳米技术研究员Vincent Rotello(未参与这项研究)说,这项研究“是CRISPR的生物医学应用取得的一次重大进步。”他补充道,“在一些应用中,像这样的局部注射是有意义的,但是CRISPR-Gold系统面临的挑战之一是它不能进行全身运送。”

        Conboy赞同道,“理想的情形是,你将这些金纳米颗粒注射到血液中,这是因为它们随后能够进入每个肌肉中。”她和Murthy继续在杜兴氏肌肉营养不良和其他的遗传疾病中研究改善运送和编辑效率的方法。

        这篇论文的两名其他的作者Kunwoo Lee和Hyo Min Park成立了一家名为Genedit的公司,以便探究CRISPR-Gold的商业应用。Murthy说,“我们当然对运送Cas9的治疗可能性感到兴奋。”Murthy是Genedit公司的一名科学顾问。

        Rotello说,“在实际上能够用于治愈疾病之前,仍有大量的工作要做,但是我认为这项研究指明了未来的发展方向。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Kunwoo Lee, Michael Conboy, Hyo Min Park et al.Nanoparticle delivery of Cas9 ribonucleoprotein and donor DNA in vivo induces homology-directed DNA repair. Nature Biomedical Engineering, Published online:02 October 2017, doi:10.1038/s41551-017-0137-2

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