新型基因编辑技术可应用于多种组织非编码区 | Cell Research

9 月 9 日 科研圈

索尔克生物研究所的科学家们开发了一种新的基因编辑技术,能够针对多种突变和不同细胞类型对小鼠基因组进行靶向编辑,未来有望用于治疗许多由基因突变引起的疾病。


用 SATI 技术编辑神经元中的基因。图片来源:Salk Institute


来源 索尔克生物研究所

翻译 王尚洁

审校 李光昭

编辑 戚译引


可以对生物体直接进行基因编辑的技术为治疗各种遗传疾病提供了可能。然而,很多基因编辑工具不能对目的 DNA 的关键区域进行准确定位,并且因为活体组织中有各种不同类型的细胞,实现这项技术一直是一个难题。


最近,索尔克生物研究院(Salk Institute)的研究人员们开发出了一种名为 SATI 的新工具,可针对多种突变和不同细胞类型对小鼠基因组进行靶向编辑。2019 年 8 月 23 日的 Cell Research 期刊介绍了这项新技术,该技术可广泛应用于由基因突变导致的多种疾病,如亨廷顿舞蹈病(Huntington’s disease)和一种罕见的早衰综合症——早老症(progeria)。


索尔克基因表达实验室(Salk's Gene Expression Laboratory)教授、该论文资深作者 Juan Carlos Izpisua Belmonte 说道:“这项研究证明 SATI 是一项强有力的基因编辑工具,它为探索针对多种不同类型的突变基因进行靶向替换的有效方法提供了重要帮助,同时开拓了基因治疗的新方向,使通过基因编辑技术治愈多种遗传疾病成为可能。”


该论文研究团队,左起:Juan Carlos Izpisua Belmonte,Reyna Hernandez-Benitez,Pradeep Reddy 和 Mako Yamamoto。图片来源:Salk Institute


以 CRISPR-CAS9 系统为主的 DNA 编辑技术通常在分裂细胞(如皮肤细胞或肠道细胞)中最为有效,通过细胞正常的 DNA 修复机制完成基因编辑。Izpisua Belmonte 实验室的研究显示,他们基于 CRISPR/ Cas9 的基因编辑技术 HITI(全称“同源性独立靶向整合”,homology-independent targeted integration),对分裂细胞和非分裂细胞均可进行有效的基因编辑。蛋白质编码区的功能类似于制作蛋白质的食谱,而非编码区的功能则像厨师一样,通过食谱决定要准备多少食物(原料)。DNA 绝大部分由非编码区组成(约 98%),这些区域调控着包括开关基因在内的众多细胞功能,因此可能成为未来基因治疗的一个重要目标。


该论文的共同一作、Izpisua Belmonte 实验室的博士后 Mako Yamamoto 说:“我们的目标是创造一种多用途的工具,来定位这些不影响基因功能的 DNA 非编码区域,并能够广泛地针对突变基因和不同细胞类型进行基因编辑。在概念验证的初级阶段,我们重点研究了由基因突变引起早衰的小鼠模型,这种突变很难用现有的基因组编辑技术进行修复。”


这种新型基因敲入法被称为 SATI,全称“细胞间线性化单一同源臂供体介导的内含子靶向整合”(intercellular linearized Single homology Arm donor mediated intron-Targeting Integration),是 HITI 方法的改进版,可作用于基因组的其他区域。SATI 的工作原理是在突变位点前,将异常基因的正常态拷贝插入到 DNA 的非编码区,然后新基因通过某一种 DNA 修复途径与原有基因一起整合到基因组中,从而减轻了原始突变基因的有害影响,同时避免了因为完全替换它而带来的潜在风险。


科学家们通过早衰症的活体小鼠模型对 SATI 技术进行了测试。该疾病由 LMNA 基因突变造成,患有早衰症的人类和小鼠都表现出了过早衰老、心功能障碍失常,以及由早衰蛋白质(progerin)积累造成的寿命显著缩短。研究员们通过 SATI 技 术将正常的 LMNA 基因插入早衰的小鼠体内后,能够观察到包括皮肤和脾脏在内的相关组织的衰老特征减弱,以及小鼠寿命的延长(与未经治疗的早衰小鼠相比寿命延长 45%)。如果这种治疗方法可应用在人类身上,患者的寿命可延长 10 年以上。因此,SATI 系统是第一个可以应用在多种组织类型中的 DNA 非编码区的体内基因校正技术。


接下来,该团队会旨在通过增加可成功吸收新 DNA 的细胞数量来提高 SATI 技术的效率。


论文的共同一作、Belmonte 实验室的博士后 Reyna Hernandez-Benitez 表示:“具体来说,我们将研究 DNA 修复过程中细胞系统参与其中的细节,进一步完善 SATI 技术,以获得更好的 DNA 修正效果。”


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论文信息


【标题】Precise in vivo genome editing via single homology arm donor mediated intron-targeting gene integration for genetic disease correction

【作者】Keiichiro Suzuki et al

【期刊】Cell Research

【时间】23 August 2019

【DOI】10.1038/s41422-019-0213-0

【链接】https://www.nature.com/articles/s41422-019-0213-0

【摘要】In vivo genome editing represents a powerful strategy for both understanding basic biology and treating inherited diseases. However, it remains a challenge to develop universal and efficient in vivo genome-editing tools for tissues that comprise diverse cell types in either a dividing or non-dividing state. Here, we describe a versatile in vivo gene knock-in methodology that enables the targeting of a broad range of mutations and cell types through the insertion of a minigene at an intron of the target gene locus using an intracellularly linearized single homology arm donor. As a proof-of-concept, we focused on a mouse model of premature-aging caused by a dominant point mutation, which is difficult to repair using existing in vivo genome-editing tools. Systemic treatment using our new method ameliorated aging-associated phenotypes and extended animal lifespan, thus highlighting the potential of this methodology for a broad range of in vivo genome-editing applications.




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