【年終盤點】：2016年CRISPR基因編輯範圍突破性進展

近年來，随着生物技藝突破性的變革及科學家們不斷的努力，新的基因編輯技藝不斷湧現出來，推基因編輯，繼ZFN，TALENs基因編輯技藝的推出，又出現了當下最熱門嶄新型的CRISPR/Cas9基因編輯系統。
　　CRISPR/Cas系統是目前發現存在于大多數細菌與所有的古菌中的一種後天免疫系統，其以消滅外來的質體或者噬菌體并在自身基因組中留下外來基因片段作爲“記憶”。CRISPR/Cas系統全名爲常間回文重複序列叢集/常間回文重複序列叢集關聯蛋白系統(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins)。
　　以CRISPR/Cas9爲基礎的基因編輯技藝在一系列基因治療的應用範圍都展現出極大的應用前景，比如艾滋病、血液病、腫瘤等其它多種遺傳性疾病。我們總是感慨時光過得很快，這不，2016年即将接近尾聲，迎接我們的将是嶄新的2017年，2016年CRISPR基因編輯技藝範圍又有哪些突破性的研究進展呢？本文中小編就對此進行了盤點，分享給各位！
　　【1】Nature：中國首次利用CRISPR–Cas9編輯過的細胞開展人體臨床試驗
　　來自中國成都市四川大學華西醫院的一個研究人員團隊首次将利用CRISPR–Cas9進行過基因編輯的細胞注射到一名病人體内。《自然》期刊報道這一注射過程是在2016年10月28日發生的，而且迄今爲止，這名病人表現得 “還不錯”。
　　經過基因修飾的細胞之前已被注射到人體内，但是是利用不同的技藝達成的。CRISPR-Cas9被認爲是一種更加高效的方法。在這項新的努力中，該團隊從血液樣品中分離出免疫細胞，然後利用CRISPR-Cas9尋找它們中的PD-1蛋白，并且讓該蛋白不能發揮性能，而之前的研究已證實這會延緩免疫細胞作出的免疫反應。人們的看法是讓這種蛋白失去性能将允許免疫系統更強地抵抗腫瘤生長。這些利用CRISPR-Cas9進行過基因編輯的細胞被放置在一個容器中，在那裏，它們在體外培養後能夠發生增殖---它們随後經收集後被注射到一名肺癌病人體内，其中這名病人已不能夠對任何其他的療法作出反應。
　　【2】科學家首次利用CRISPR/Cas9技藝成功糾正小鼠的凝血性能
　　CRISPR/Cas9，一把強大的基因魔剪，其在有效糾正引發疾病的突變上表現出了巨大潛力，近日，在聖地亞哥舉辦的第58屆美國血液學會年會和博覽會上，來自賓夕法尼亞大學的研究人員通過研究首次開發出了一種雙基因療法，其能夠将CRISPR/Cas9介導的基因靶向系統的關鍵組分運輸到小鼠機體中來治療B型血友病（Hemophilia B），這是一種第九因子缺乏症，該疾病通常是由于凝血蛋白缺失或缺陷引發。
　　在諸如血友病等很多單基因疾病中，不同的突變往往會分散在特殊的基因中，而并不是一種單一的占優勢的突變，因此研究人員就需要開發出一種載體能夠用于攜帶任何突變的患者；本文研究是一項概念性的驗證研究，研究者利用了通用的CRISPR/Cas9基因靶向方法來用于治療大部分特殊疾病的患者，就比如B型血友病，據美國CDC數據顯示，血友病在活産嬰中的發生率爲5000分之一，兒在美國目前大約有2萬名血友病患者。
　　【3】JNCI：重磅！科學家利用CRISPR/Cas9技藝使癌症突變失活
　　由于在許多生物醫學和生物技藝範圍均有着廣泛的應用，“基因魔剪”CRISPR/Cas9或将完全打開癌症研究範圍的大門；日前一項刊登在國際雜志Journal of the National Cancer Institute上的研究報告中，來自德國德累斯頓工業大學 （Dresden University of Technology）等機構的研究人員通過研究發現，扮演癌症驅動子的突變或許能夠被靶向作用并且修複，而且這些相關的突變也可以被快速診斷，并被用來改善個體化療法。
　　作爲生物技藝研究範圍的革命性工具，CRISPR/Cas9在生物醫學研究上有着其廣泛的用途，其可以達成對細胞基因組中特定位點的DNA進行切割，如今研究人員就發現了一種方法，能夠利用該技藝診斷并且使得癌症突變失活，從而加速癌症範圍的研究。研究者Frank Buchholz說道，通過新一代測序技藝我們就能夠快速鑒别出癌細胞中的突變，但很多時候我們并不知道到底是哪些突變能夠驅動疾病的發生，而且哪些突變是相對良性的。
　　【4】Science：重磅！史上首次利用CRISPR-Cas9讓人細胞變身爲記憶存儲系統
　　在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院（MIT）的研究人員策劃出一種方法在人細胞的DNA中記錄複雜的曆史事件，從而允許他們通過對這種DNA進行測序從中找回過去事件的“記憶”。相關研究結果于2016年8月18日在線發表在Science期刊上，論文标題爲“Continuous genetic recording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells”。論文通信作者爲MIT電學工程與計算機科學副教授和生物工程副教授Timothy Lu。論文第一作者爲Samuel Perli博士和研究生Cheryl Cui。
　　這種模拟記憶儲存系統---首先能夠在人細胞中記錄事件的持續時間和/或強度---可能也能夠允許科學家們研究幹細胞在胚胎發育期間如何産生多種組織，細胞如何對環境條件作出反應以及它們如何發生導緻疾病産生的基因變化。
　　Lu說，“爲了能夠更加深入地理解生物學，我們對人細胞進行基因改造，使得它們能夠基于基因編碼的記錄器報道它們自己的曆史事件。”他補充道，這種技藝應當允許深入認識基因調節和細胞内發生的其他事件如何導緻疾病産生和發育。
　　【5】Cell Stem Cell：利用改造的CRISPR/Cas9技藝直接改變細胞身份
　　在一項新的研究中，研究人員利用經過基因修飾的CRISPR/Cas9---一種新的革命性的基因編輯技藝---将從小鼠結締組織中分離出的成纖維細胞直接轉化爲神經元。
　　2006年，日本京都大學前沿醫學科學研究所山中伸彌教授發現如何讓來自成年結締組織的成纖維細胞返回到未成熟的能夠分化爲任何一種細胞類型的幹細胞。這些所謂的誘導性多能幹細胞（ips細胞）因在研究和醫學中的巨大潛力僅在6年後就讓山中伸彌教授獲得諾貝爾獎。
　　從那之後，科學家們已發現其他的方法将一種類型的細胞轉化爲其他類型的細胞。這主要是通過導入多種額外拷貝的“主開關”基因---表達激活特定細胞類型所需的整個基因網路的蛋白---來達成的。
　　如今，在這項新的研究中，來自美國杜克大學的研究人員開發出一種不再需要導入額外基因拷貝的策略。相反，他們利用一種經過基因修飾的CRISPR/Cas9基因編程技藝直接激活已經存在于細胞基因組中的自然拷貝。相關研究結果于2016年8月11日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文标題爲“Targeted Epigenetic Remodeling of Endogenous Loci by CRISPR/Cas9-Based Transcriptional Activators Directly Converts Fibroblasts to Neuronal Cells”。
　　【6】重磅！中國科學家将進行世界首個人類CRISPR基因編輯臨床試驗
　　如今，中國科學家即将利用CRISPR–Cas9基因編輯技藝将修飾後的細胞注入人體進行人類臨床試驗，這将是世界上首個在人類機體中進行的CRISPR試驗。
　　進行這項研究的是來自四川大學華西醫院（West China Hospital）的研究者Lu You（盧鈾），他計劃下個月在肺癌患者機體中檢測利用CRISPR–Cas9修飾後的細胞的性能，這項臨床試驗已于7月6日獲得了醫院倫理審查委員會的批準審核。研究者盧鈾，畢業于華西醫科大學，長期從事肺癌和食管癌等胸部腫瘤放化療和分子靶向治療的臨床與基礎研究，腫瘤彙總治療及抗腫瘤新藥臨床試驗研究。
　　來自賓夕法尼亞大學從事免疫療法的研究人員Carl June表示，這或許是一項讓我們很多人都非常激動的研究，同時也是一項将CRISPR–Cas9基因編輯技藝推向人類臨床試驗的巨大進步。目前科學家們利用許多基因編輯技藝來進行人類臨床試驗，其中包括研究者June進行的一項研究，他們當時利用基因編輯技藝來幫助患者抵禦HIV，June同時也是一項臨床試驗的科學顧問，這項研究計劃利用CRISPR–Cas9修飾的細胞來用于癌症治療。
　　【7】利用CRISPR基因編輯技藝治療癌症？
　　根據美國國家衛生研究院（NIH）的說法，美國重組DNA顧問委員會（Recombinant DNA Advisory Committee，RAC）下周将審查賓夕法尼亞大學申請首次利用革命性的基因編輯技藝CRISPR治療人類癌症的臨床試驗。利用CRISPR技藝，科學家們能夠準确地切割靶DNA。
　　這項臨床研究将從癌症患者體内提取出免疫系統的T細胞。接着，研究人員将利用CRISPR對T細胞進行基因修飾，并将基因修飾後的T細胞灌注回病人體内，這樣它們将靶向摧毀腫瘤細胞。
　　NIH科學政策副主任Carrie Wolinetz在一篇博客帖子中披露了這一審查信息。賓夕法尼亞大學正在開發的這種癌症免疫療法旨在靶向攻擊骨髓瘤、黑色素瘤和肉瘤。
　　CRISPR技藝是在不到四年前開發出來的，但是已正在沖向臨床應用。在此之前，一家位于美國馬薩諸塞州劍橋市的生物技藝公司Editas醫藥公司（Editas Medicine）說，它打算在2017年開展一項利用CRISPR治療一種罕見的眼部疾病的臨床試驗。
　　【8】三篇Nature文章揭示CRISPR/Cas9基因組編輯取得重大進展
　　大多數人類遺傳病是由于點突變---DNA序列上的單個堿基錯誤---導緻的。然而，當前的基因組編輯方法不能夠高效地校正細胞中的這些突變，而且經常導緻随機的核苷酸插入或删除（insertions or deletion， indel）。
　　如今，在一項新的研究中，來自美國哈佛大學的研究人員對CRISPR/Cas9技藝進行改進，構建出一種新的“堿基編輯器（base editor）”，并且避免這些問題的發生。在人細胞系和小鼠細胞系中，這種堿基編輯器永久性地和高效地将堿基胞嘧啶（C）轉化爲堿基尿嘧啶（U），同時具有較低的編輯錯誤發生率。相關研究結果于2016年4月20日在線發表在Nature期刊上，論文标題爲“Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage”。
　　美國加州大學伯克利分校基因組學創新計劃科學主任Jacob Corn（未參與者這項研究）說，“在人體的任何一個地方，都有大量的遺傳病存在，這些遺傳病本質上是由于堿基換入或換出。”
　　【9】Nature子刊：首次利用CRISPR/Cas9在體内成功切除HIV DNA片段
　　作爲一種RNA病毒，HIV是一種逆轉錄病毒。當感染人細胞（主要是CD4+ T細胞）時，它會将自身的RNA逆轉錄爲DNA後插入到宿主基因組中以便進行複制和合成新的病毒顆粒。
　　在一項新的研究中，來自美國天普大學劉易斯-卡茨醫學院的研究人員利用基因編輯技藝首次成功地從活的動物基因組中切除HIV-1 DNA中的一段序列。這一突破是開發一種潛在地抵抗HIV感染的治療策略的關鍵一步。相關研究結果發表在2016年5月19日那期Gene Therapy期刊上，論文标題爲“Excision of HIV-1 DNA by gene editing： a proof-of-concept in vivo study”。 論文通信作者、天普大學劉易斯-卡茨醫學院神經病毒學核心主任Kamel Khalili博士解釋道，“在這項概念驗證的研究中，我們證實我們的基因編輯技藝能夠高效地應用于兩種小型模式動物的很多器官中，而且能夠将HIV病毒DNA的較大片段從宿主細胞基因組中切除。”
　　當前的治療HIV感染的方法集中于抗逆轉錄病毒藥物的組合使用。盡管抗逆轉錄病毒藥物療法能夠有效地抑制HIV複制，但是這不能夠将HIV-1從被HIV感染的細胞中清除。再者，當抗逆轉錄病毒療法停止時，HIV複制卷土重來，從而使得病人面臨着患上獲得性免疫彙總征（AIDS，一種由HIV感染導緻的疾病）的風險。這種潛伏性感染之所以産生是因爲HIV DNA能夠持續存在于CD4+記憶T細胞的基因組中和可能其他的細胞儲存庫中，在那裏，HIV病毒保持潛伏狀态，不受當前療法的影響。
　　【10】Science：基因編輯大牛張鋒再發力，揭示隻靶向RNA的新型CRISPR系統
　　在一項新的研究中，來自美國國家衛生研究院（NIH）、哈佛大學-麻省理工學院布羅德研究所（簡稱布羅德研究所）、麻省理工學院、羅格斯大學新伯朗士威校區和俄羅斯斯科爾科沃理工學院等機構的研究人員描述了一種靶向作用于RNA而不是DNA的新型CRISPR系統。相關研究結果于2016年6月2日在線發表在Science期刊上，論文标題爲“C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector”。
　　這種新的CRISPR系統有潛力供應一種強大的方法進行細胞操縱。盡管DNA編輯讓細胞基因組發生永久性變化，但是這種基于CRISPR的RNA靶向方法可能允許科學家們讓細胞基因組發生可根據需要進行上下調節的臨時變化，而且比現存的RNA幹擾方法具有更大的特異性和性能性。
　　【11】Nature：重大發現！史上最簡單的CRISPR/Cpf1系統可切割DNA和RNA
　　利用CRISPR-Cas9可以非常簡單地、多用途地和可靠地修飾多種有機體中的DNA。這是因爲自從它的發現以來，全世界的科學家們一直在努力進一步改進或調整CRISPR-Cas9系統以便滿足他們各自的特定需要。因此，人們很難想象在不使用CRISPR-Cas9的情形下如何對遺傳物質進行基因編輯。
　　如今，在一項新的研究中，來自德國馬克斯普朗克感染生物學研究所、亥姆霍茲傳染病研究核心和瑞典優密歐大學（Ume？ University）的研究人員描述了酶Cas9的一種潛在替代者---來自土拉熱弗朗西絲菌（Francisella novicida）的CRISPR結合蛋白Cpf1---的特征：Cpf1表現出雙重切割活性：不僅切割DNA，而且也切割RNA。與CRISPR-Cas9不同的是，Cpf1能夠獨自地對crRNA前體（pre-crRNA，編者注：CRISPR DNA片段經轉錄而形成的CRISPR RNA前體）進行加工，然後利用加工後産生的crRNA特異性地靶向和切割DNA，因而也就不需要來自宿主細胞的核糖核酸酶（RNase）和tracrRNA，這是人們迄今爲止發現的一種最簡單的CRISPR免疫系統。這一發現可能給科學家們供應一種新的序列特異性基因組編輯方法，更爲重要的是，還可能便于一次對多種靶位點進行編輯，即所謂的多重編輯。相關研究結果于2016年4月20日在線發表在Nature期刊上，論文标題爲“The CRISPR-associated DNA-cleaving enzyme Cpf1 also processes precursor CRISPR RNA”。論文通信作者爲來自馬克斯普朗克感染生物學研究所的Emmanuelle Charpentier。
　　【12】Trends in Parasitol：CRISPR-Cas9技藝把蚊子給“閹了”
　　随着寨卡病毒、基孔肯雅熱及登革熱爆發的不斷上升，衛生官員迫切需要采取措施阻斷這些病毒的傳播。近來刊登在國際雜志Trends in Parasitology上的一項研究中，來自弗吉尼亞理工大學（Virginia Tech）的研究者就利用了一種特殊方法，即對雄性蚊子進行基因工程修飾，這或許可以有效阻斷病毒的傳播。
　　去年研究者們在雄性蚊子中發現了一種名爲Nix的基因，而本文研究中研究者讨論了如何将CRISPR-Cas9基因編輯技藝同Nix基因進行相互結合來有效降低野外雄性和雌性蚊子的配對；雄性蚊子是無害的，因爲其僅以花蜜爲食；而雌蚊子則需要以血液爲食從而幫助其産卵，雌蚊子同時也是引發疾病發生的元兇。
　　【13】Science & NEJM：利用CRISPR/Cas9有望讓豬成爲病人的器官供者
　　盡管在農業環境中，豬比較懶散，但是在生物醫學實驗室培養的豬足夠幹淨以至于很多人将恭迎---确實，應當恭迎---使用它們的組織用作拯救生命的移植物。用于移植的心髒瓣膜通常來自豬和奶牛。
　　但是想要将整個豬器官移植到需要新的心髒、肝髒、腎髒或肺部---異種器官移植（xenotransplantation）的病人體内---并不是這麽簡單的事。除了受者免疫系統傾向于排斥異體組織所面臨的常規挑戰外，利用豬器官填補人器官供應和需求之間的巨大缺口還必需解決豬内源性逆轉錄病毒（porcine endogenous retrovirus， PERV）帶來的問題。
　　畢竟，PERV是令人毛骨悚然的。在遭受壓力之下，豬細胞泵出PERV，随後它們能夠感染豬移植器官旨在拯救的病人。在異種器官移植的全新範圍---豬能夠爲在美國等待器官移植的12萬病人中的一些人供應器官---中，科學家們必需找到一種方法解決來自PERV的威脅。
　　【14】Science：天呐！CRISPR基因編輯技藝或将用于對人類胚胎進行編輯
　　最熱門的基因編輯技藝—CRISPR，或許很快就可以被用來研究人類胚胎了，近日，來自英國的監管委員會将去評估敲除日齡胚胎發育基因所引發的效應，來自科瑞克研究所的研究人員Kathy Niakan讨論了該項目背後的基本原理，同時他們還希望這項調查有一天或将改善人類的不育療法。
　　這項研究中研究人員揭示了受精卵的單個細胞如何轉化成爲胚泡，胚泡是一種大約5日齡的結構，其可以植入到母體的子宮中；胚泡中包含有多種類型的細胞，而最後注定發育成胎兒的細胞稱之爲外胚層祖細胞，這些細胞被兩種其他類型的細胞包裹着，其可以發育成爲胎盤和其他組織，比如卵黃囊結構，而Niakan在研究中使用了來自生育診所中的人類胚胎，這些胚胎是進行體外受精遺留下來作爲研究捐獻使用的，在研究之後當這些胚胎達到7日齡就會被銷毀。
　　【15】Genome Biol：CRISPR技藝新突破！優化sgRNA結構可提高基因編輯效率！
　　在一項新的研究中，來自美國德州理工大學健康科學核心的研究人員開發出一種提高CRISPR基因編輯效率的方法，其中CRISPR是一種日漸重要的用來編輯DNA的技藝。相關研究結果近期發表在Genome Biology期刊上，論文标題爲“Optimizing sgRNA structure to improve CRISPR-Cas9 knockout efficiency”。論文通信作者是Haoquan Wu博士。他是德州理工大學健康科學核心的一名生物醫學家。
　　Wu說，“全世界的科學家們如今正在他們的研究中使用CRISPR，但是這種技藝的性能性并不像是它應當那樣的那麽好。”
　　CRISPR是一種突破性的允許科學家們對基因進行修飾的技藝。兩種關鍵性的組分讓CRISPR的DNA編輯能力成爲可能。第一種組分是Cas9，即一種能夠切割DNA的酶。第二種組分是單向導RNA（single guide RNA， sgRNA），它精确地引導Cas9在一種DNA序列上進行切割從而讓不需要的片段失活。