新技術：讓採用CRISPR的基因編輯療法更安全！

導讀

最近，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家在採用基因編輯技術治療危及生命的嚴重疾病例如癌症、艾滋病和亨廷頓氏舞蹈病方面，邁出了至關重要的一步。他們開發出的新技術能夠檢查出目前廣泛使用的基因編輯工具CRISPR 的編輯錯誤。

關鍵字

基因、晶元、健康

背景

也許，很多人都在期盼肥胖、禿頂等影響形象的疾病消失，癌症、艾滋病、乙肝等「不治之症」也能得以治癒。這有可能嗎？這一切聽起來都有點像科幻小說。然而，一項前沿的生物科技有望讓這一切變為現實，它就是基因編輯技術。

基因編輯技術，顧名思義，就是指對目標基因進行「編輯」，實現對於特定基因片段的刪除、插入或重寫等操作。這種技術有望將艾滋病毒從細胞基因組裡清除，從根本上治療艾滋病。同樣，它也有望通過對於錯誤的基因進行修改，治療癌症、肥胖等由於環境和遺傳因素引起的疾病。

較為典型的基因編輯技術有 ZFN （zinc-finger nucleases）和 TALEN （transcription activator-like effector nucleases）為代表的序列特異性核酸酶技術。

（圖片來源：維基百科）

另外還有一項更加高效、簡易的基因編輯技術，它就是CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），也被稱為規律成簇間隔短迴文重複。簡單來說，它是一種基因編輯器，是細菌用來對抗病毒、保護自己的系統。病毒在入侵時會將自己的基因整合到細菌中，利用細菌細胞為自己的基因複製服務，而細菌則利用CRISPR 系統，可以將病毒基因從自己的染色體上清除。

後來，研究人員發現這種基因編輯技術，不僅可用於細菌細胞，還可用於刪除、添加、激活或抑制其他生物體的目標基因。這些目標基因包括人、老鼠、果蠅和農作細胞內的基因。

CRISPR 技術如同一把「分子剪刀」，能夠剪短DNA分子。此後，人類就利用這類分子剪刀在試管中「裁剪」DNA，獲取有益的DNA，用於工業生產，或者對基因進行改良。

（圖片來源：Jenna Luecke and David Steadman/Univ. of Texas at Austin）

目前，科學家們已採用基因編輯工具CRISPR，去編輯幾乎所有生物體的基因代碼。同時，CRISPR 基因編輯技術也將對於人類健康產生巨大影響。據報道，已有十多個臨床試驗開始在人類細胞上使用CRISPR，雖然這個方案並不完美。

理論上說，基因編輯的工作方式很像利用文檔工具中的自動糾錯功能，更正文檔中反覆出現的錯誤。但是，用於查找並編輯基因的CRISPR分子-蛋白質，有時會找錯基因，這就像自動糾錯功能將正確拼寫的單詞轉化成錯誤拼寫的單詞。錯誤地編輯基因將會帶來新的問題，例如導致健康細胞癌變。

創新

針對上述問題，最近美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家開發出一項新技術，它能夠檢查出目前廣泛使用的基因編輯工具CRISPR的編輯錯誤。這項研究發表於《細胞》雜誌。

這種新方法可以通過人體全基因組迅速測試CRISPR分子，從而預見出它與目標以外的其他DNA片段相互作用的情況。研究人員稱，這種新方法代表邁出了標誌性的一步，它將幫助醫生將基因療法應用於個別病患，確保安全性和有效性。德克薩斯大學奧斯汀分校分子生物科學系的助理教授、該項目的首席調研員 Ilya Finkelstein 稱：

「你和我的基因編碼中有約一百萬個位點是不同的，因為這種基因多樣性，人類基因編輯總會是一種定製的療法。」

技術

研究人員通過DIY的方法開發設備和軟體，並使用現有實驗室技術開發CHAMP（Chip Hybridized Affinity Mapping Platform）「晶元雜交親和性圖譜平台」。這項測試核心是標準的下一代基因組測序晶元，它已廣泛應用於科研和醫學。

下圖顯示Finkelstein 等開發的新技術，用於檢測CRISPR和目標以外的DNA片段之間的交互作用。它是一種標準的基因組測序玻片（又名「流動池」），由Illumina製造。

（圖片來源：Wikimedia user Bainscou）

下圖是位於下一代測序流動池表面之上的熒游標記的DNA 圖像。圖像由稜鏡型TIRF顯微鏡採集，並且用於CHAMP。CHAMP 是一種新型描述框架，用於高通量、定量分析蛋白質DNA，與合成的以及染色體組的DNA之間的交互作用。

（圖片來源：Stephen K. Jones Jr./Univ. of Texas at Austin）

另外兩個關鍵的因素分別是：用於在顯微鏡下放置晶元的3D列印的底座；以及用於分析結果的開源軟體。開源有利於其他研究人員在CRISPR的相關實驗中，輕易複製這項技術。

價值

德克薩斯大學奧斯汀分校的博士後研究員、論文的領導作者之一 Stephen Jones 稱：

「如果我們要採用CRISPR 提升人類健康，那麼我們需要確保最小化附帶損害，這項研究展示出了一種途徑。」

德克薩斯大學奧斯汀分校分子生物科學系教授、應用研究實驗室的副總裁、論文的合著者之一 Andy Ellington稱，這項技術也闡明了新技術具有不可預知的副作用。Ellington 說：

「下一代的基因組測序技術的發明是用於讀取基因，但是我們現在將這項技術推進了一步，讓我們能夠描述CRISPR如何和基因相互作用的。富有創造力的人們，例如Ilya，發明了這項技術並將它拓展到新領域。」

這項研究也可以幫助研究人員預測出，特定的CRISPR將和哪些DNA 片段相互作用，甚至是在實際基因組上測試之前，因為他們發現了CRISPR分子選擇目標的潛規則。例如，他們發現被測試的CRISPR，也稱為「Cascade」，對於DNA序列中第三個字母的興趣比其他字母要小。Jones 稱：

「所以如果查找單詞『shirt』，那麼有可能查找到『short』，這可能沒問題。」

這聽上去有點違反知覺，但是非常有益處。CRISPR 源於細菌的天然防禦系統，防止入侵的病毒迅速擴散。一個好的防禦系統可以看到病毒基因編碼微小的變化。

更好地了解這些規則，有利於開發出更好的計算機模型，用於預測特定的CRISPR分子有可能與哪些DNA片段相互作用，並且將節省開發個性化基因療法的時間和金錢。

參考資料

【1】https://news.utexas.edu/2017/06/29/safer-gene-editing-therapy-using-crispr

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