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基因编辑可光控!华东师大团队历时 5 年:解决「脱靶」、抑制肿瘤

本文作者:付静 2020-07-14 18:32
导语:智能光控遇见“基因剪刀”,会擦出怎样的火花?

治疗癌症晚期、删除负面记忆、阻止视网膜退化、改良农产品质量......

如果说要实现上述所有结果只能用一项黑科技,这项技术必然是「基因编辑」——对目标基因进行定点“编辑”的新兴基因工程技术。

有了工具是好事,重要的是如何运用,最好是能实现精准的智能控制。

近日,华东师范大学生命科学学院就联合浙江大学药学院团队,共同设计出一种新型光控分割型 split-Cas9 基因编辑系统(FAST 系统)。

2020 年 7 月 10 日,该团队题为 Engineering a far-red light–activated split-Cas9 system for remote-controlled genome editing of internal organs and tumors(用于内部器官和肿瘤遥控基因编辑的远红光激活 split-Cas9 系统)的论文发表于《科学》子刊《科学进展》(Science Advances)。

基因编辑可光控!华东师大团队历时 5 年:解决「脱靶」、抑制肿瘤

基因编辑脱靶怎么办?

实际上,将智能光控与“基因剪刀”相结合,源于基因编辑技术的潜在缺陷。

雷锋网了解到,CRISPR-Cas9 技术的原理主要是通过 Cas9 酶在特定目标位点切割 DNA 序列。但在错误位置剪切的“脱靶”情况(off-target mutations)也时有发生。

无疑,这种意外很可能会带来难以预控的严重后果,比如基因突变、插入、缺失,甚至致瘤事件。

针对这一问题,此前一些研究团队设计了应对策略。比如:

  • 最近因学术抄袭事件备受关注的中科院神经所研究员杨辉领衔开发了一套脱靶检测技术,以便准确、灵敏地检测脱靶效应,基于此开发出精度更高、安全性更强的新型基因编辑工具。

  • 中国农科院深圳农业基因组研究所联合中科院脑科学与智能技术卓越创新中心、中科院上海营养与健康研究所,根据蛋白结构预测了基因编辑过程中产生脱靶效应的重要氨基酸,设计出了显著降低基因编辑脱靶效应的单碱基编辑工具。

此外,科学家们还设计出了多种受化学物质(如多西环素、甲氧苄啶、4-羟基他莫昔芬等)诱导的 CRISPR-Cas9 系统。不过,化学诱导剂具有潜在的细胞毒性,也就是说,在 CRISPR-Cas9 系统中引入化学诱导剂,有时反而会影响细胞数目和集落形成。

那么,既然化学诱导剂存在风险,设计对 Cas9 酶的活动进行光学控制的 CRISPR-Cas9 系统可行吗?

不得不说,光是一种可逆、非侵入性的诱导物形式,这也就意味着光的时空分辨率很高。

蓝光、紫外光,都是科学家们曾经尝试过的诱导物,不过,一个不可忽略的因素便是生物组织对光的吸收和散射特性——紫外光和蓝光都不能深入穿透身体,紫外光几乎不穿透皮肤,蓝光仅能穿透 1mm。

与此同时,光线长时间暴露还可能引起细胞毒性。

不难看出,虽然不少科研团队为避免脱靶效应做出了努力,但这一方向仍需要进一步的探索。

由于远红光(FRL)可穿透皮肤表面以下至少 5mm 的组织,华东师范大学生命科学学院与浙江大学药学院团队将研究的切入点放在了远红光光控方面。

基因编辑实现光控

智能光控遇见“基因剪刀”,会擦出怎样的火花?

我们来看看这项研究。

据介绍,该团队设计的光控分割型 split-Cas9 基因编辑系统(FAST 系统)能够非侵入性地诱导位于动物组织深处的细胞中的基因编辑活性。

具体来讲,FAST 系统依赖于两个具有高亲和力结合结构域的分裂-Cas9 融合蛋白,也就是说研究团队将蛋白一分为二了——其一是组成型表达的,其二则处于该团队建立的细菌光敏二鸟苷酸环化酶 Bphs 光学可控系统的远红光诱导型控制下。

如下图 A 所示,Cas9 由两个独立的 N 和 C 端 Cas9 片段形成,它们各自缺乏核酸酶活性。当 Cas9 的两个片段 Cas9(N)和 Cas9(C)分别与 Coh2 和 DocS 融合时,它们很容易结合,从而为 Cas9 增加核酸酶活性。

基因编辑可光控!华东师大团队历时 5 年:解决「脱靶」、抑制肿瘤

既然系统已经搭建好了,自然要进入测试环节了。

雷锋网了解到,人体中存在着一种所谓的 HEK293 细胞,这种细胞又称为人胚胎肾细胞 293。

顾名思义,这种细胞衍生自人胚胎肾细胞,其具有转染效率高、易于培养等特点,因此已被广大研究者认为是一个研究基因的重要工具。

在这项研究中,该团队最初便是在 HEK293 细胞中组装了 FAST系统组件,利用来自发光二极管的远红光照明,成功激活了靶向基因组编辑。 

这之后,研究团队又在多种人类细胞系中实现了远红光诱导性基因编辑,因此研究团队确认:FAST 系统能够有效激活位于动物皮下组织的细胞的基因编辑。

在此基础上,研究团队又利用「报告基因检测法」做了进一步研究。

「报告基因」是指:

一类在细胞、组织/器官或个体处于特定情况下会表达并使得它们产生易于检测且实验材料原本不会产生的性状的基因。

雷锋网注意到,科学家们研发转基因小鼠或基因嵌入报告基因模式小鼠时经常要用到报告基因,而这一研究用到的是 tdTomato——一个信号非常强的荧光蛋白。

基因编辑可光控!华东师大团队历时 5 年:解决「脱靶」、抑制肿瘤

根据论文,研究团队用转基因 tdTomato 报告小鼠进行了实验,对小鼠体细胞进行了远红光诱导的 FAST 系统基因编辑,对异种移植肿瘤小鼠的周期失活癌细胞进行基因编辑,证明 FAST 可用于对抗肿瘤。

基于上述发现,研究团队表示:

FAST 系统具有低本底泄露、低脱靶效应、低毒性、高度时空特异精准性、强组织穿透性等体内应用优势,提供了一种新型可控的基因编辑工具。

叶海峰团队的 5 年探索

这一研究由华东师范大学生命科学学院叶海峰博士领衔,他也是该论文的通讯作者。

雷锋网(公众号:雷锋网)从华东师范大学官网处了解到,叶海峰博士:

  • 2000-2004 年,于宁波大学就读本科;

  • 2004-2007 年,于华东师范大学就读硕士;

  • 2007-2012 年,攻读瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统工程系博士学位。

当前,作为国家重点研发计划首席科学家、国家创新人才推进计划中青年科技领军人才入选者、国家优青获得者,叶海峰博士在华东师范大学生命科学学院担任着研究员、博导的角色。

基因编辑可光控!华东师大团队历时 5 年:解决「脱靶」、抑制肿瘤

就其研究方向而言,叶海峰博士主要从事合成生物学与生物医学工程研究。

另据《科技日报》报道,叶海峰博士及其团队的上述研究成果得来不易,正如叶海峰在接受《科技日报》采访时所说:

这一研究工作我们持续推进了 5 年,有的关键性问题如果不能解决将耽误整个研究的进展。合成生物学要在活体内运转,会有很多无法排查的意外。

过去 5 年,研究团队就是一步一步对各种出现的问题进行排查的,而在此期间,叶海峰团队也有重要研究成果发表于国际知名学术期刊。

2018 年 7 月 17 日,叶海峰团队在《国家科学院学报》上发表论文,报道了其设计组装的用远红外光操控干细胞分化的“内源基因转录装置”。

2019 年 10 月 23 日,叶海峰团队在《科学·转化医学》上发表论文,报道了利用绿茶的次级代谢产物原儿茶酸(PCA)设计的可治疗糖尿病的转基因表达控制系统,这一研究成果更是登上了当期期刊封面。

基因编辑可光控!华东师大团队历时 5 年:解决「脱靶」、抑制肿瘤

当然,正如上文所述,这一研究是由叶海峰团队和浙江大学药学院共同完成的,叶海峰也表示:

为了把 FAST 系统高效递送到肿瘤组织细胞里面,我们用了一个以纳米技术合成的递送材料,材料是浙江大学合作团队提供的,他们是专门做 DNA 分子递送的,最终实现了整个系统向肿瘤组织的高效递送。

谈及未来的研究方向,叶海峰表示,还在不断优化系统,比如:现在的系统需要光照射 2 小时才能工作,而未来照射几秒就可能产生效果。

引用来源:

https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eabb1777/tab-article-info

https://faculty.ecnu.edu.cn/_s14/yhf/main.psp

https://mp.weixin.qq.com/s/s7xV4WxwOO5tlQv5b8di6A

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