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基因剪刀——治疗人类疾病现曙光
2022-01-13
来源:北京日报
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慢病界:“基因剪刀”究竟会怎样实现?目前的实际进展又如何呢?

  

  包括《科学》杂志和《自然》杂志在内,在2021年年底进行的多项科学新闻评选中,基因编辑技术CRISPR首次直接用于人体临床实验并获得初步疗效都名列其中,十分引人注目。

  用俗称“基因剪刀”的基因编辑技术来治疗人类疾病,带给人们无限的想象空间。那么,它究竟会怎样实现?目前的实际进展又如何呢?

  

基因剪刀为什么可以治病?

  正如《自然》杂志2021年10大科学新闻的介绍中所说:“基因编辑技术CRISPR自问世以来,一直被视为治疗疾病的规则改变者。但是,要使这个梦想成为现实,许多疾病将需要研究人员成功地将CRISPR-Cas9植入人体,并证明它安全有效地编辑了唯一的目标基因。”

  基因剪刀CRISPR-Cas最初由西班牙阿利坎特大学的科学家弗朗西斯科·莫吉卡在古细菌中发现,后来在大多数细菌和绝大多数古细菌基因组中都发现了CRISPR-Cas。

  CRISPR-Cas是细菌用来识别和摧毁病毒、噬菌体和其他病原体入侵的防御系统,是在生命演化中,细菌和病毒相互斗争产生的免疫武器。在自然状态下,病毒能把自己的基因整合到细菌,利用细菌的细胞复制自己的基因。但是,细菌演化出CRISPR-Cas系统后,可以不动声色地把病毒侵入细菌的基因从自己的基因组中切除,实际上这就是一种基因剪刀,可以剪掉入侵的基因。

  利用CRISPR-Cas9系统剪切基因的原理,研究人员可以设计出“基因剪刀”,结合到基因组上的靶序列(目标基因)上,对某段靶序列基因进行关闭或切割。因此,CRISPR-Cas9可以用来删除、添加、激活或抑制人、动植物细胞中的目标基因。

  2013年,CRISPR-Cas9技术首次应用到哺乳动物细胞的基因编辑中。2015年,这一技术被《科学》杂志评为2015年度十大科技突破之首。

  对于治疗疾病而言,CRISPR-Cas9可用于靶向和修饰人类基因组中30亿个字母序列中的“错别字”,即致病基因,因而能治疗多种疾病,尤其是遗传疾病。

  现在,CRISPR-Cas9基因剪刀已经应用到人类细胞、大鼠、小鼠、果蝇、斑马鱼、酵母、细菌、植物等的基因编辑中。对于人类而言,可以进行基因组功能鉴定,还可用于抗病毒、治疗癌症和免疫疾病。

  以癌症治疗而言,现在动物试验取得了重要结果。CRISPR-Cas9系统不仅可以靶向敲除致癌基因,而且在外源性DNA模板的作用下可以对突变的抑癌基因进行修复。对小鼠试验发现,CRISPR-Cas9系统能靶向切割非小细胞肺癌相关的致癌基因EGFR,因而能有效抑制非小细胞肺癌细胞的增殖及异体移植肿瘤在小鼠体内的生长,延长小鼠的生存期。

  除了能治疗血液病、癌症外,CRISPR-Cas9系统和其他CRISPR还可以治疗眼病、艾滋病、囊性纤维化、肌肉萎缩症、亨廷顿病、慢性感染(如尿路感染),甚 至糖尿病等。

  

基因剪刀治病难点在哪里?

  但是,CRISPR-Cas9系统的一个重要缺陷是脱靶,即在切除目标基因的同时,也可以切掉与目标基因相似的基因,或者与目标基因相邻的基因,这就可能给患者带来严重的副作用。

  有研究人员发现,CRISPR-Cas9系统作用于人体细胞时,平均脱靶率在40%左右。2017年5月发表在《自然方法》杂志上的一篇文章称,CRISPR-Cas9系统会引入大量不可预估的突变到小鼠基因组中,即大规模脱靶。不过,后续调查发现,大规模的脱靶现象是作者使用了基因背景不明确的小鼠对照而产生的错误判断,因此,这篇文章被撤稿。

  尽管如此,CRISPR-Cas9系统的脱靶作用还是引人担忧。对此,研究人员进行了探讨,为何CRISPR-Cas9系统会产生脱靶效果。

  CRISPR-Cas9系统是一种保护细菌免受病毒侵害的防御机制。病毒侵入细菌并把一部分基因贮存在细菌中,这种内置的病毒DNA就起着遗传记忆的作用。如果相同的病毒再次攻击这个细菌(或它的后代),那么细菌会快速地识别这种病毒,并且派遣Cas9蛋白来追踪它。Cas9寻找到细菌细胞中含有敌意的病毒DNA后,如果发现它与细菌基因组中贮存的病毒RNA相匹配,就会切割这个病毒基因,由此消除病毒再次入侵的威胁。

  但是,Cas9有时会引导切割与它正在寻找的靶DNA相类似的DNA或RNA序列,原因在于,从演化的角度来看,细菌切割这些稍微不同的DNA序列是非常合理的。因为,病毒在不断发生变异,因而能够形成略微不同于Cas9寻找的靶基因。通过切割略有不同的DNA或RNA序列,CRISPR-Cas9系统能够跟踪病毒的演化和更好地保护细菌免受变异病毒的攻击。这也是为何CRISPR-Cas9系统会频频脱靶的重要原因之一。

  但是,研究人员认为,今后可以采取多种方式来避免CRISPR-Cas9系统的脱靶。首先,可以提高有引导作用的sgRNA的特异性,提高准确性;同时减少和控制Cas9-sgRNA的用量,以避免脱靶;还可以改造Cas9蛋白以提高CRISPR-Cas9系统的特异性,降低脱靶率;也可以运用Cas9蛋白的“关闭开关”,避免CRISPR-Cas9系统误切割正常的DNA或RNA。

  如果这些方式都能应用,并在实践中证明它们能极大地减小脱靶率或者零脱靶,CRISPR-Cas9基因剪刀才有可能真正应用于临床治疗疾病。


试验性治疗效果带来希望

  2021年6月,《新英格兰医学杂志》上一项研究,报告了6名患有一种称为转甲状腺素蛋白淀粉样变性的罕见疾病患者的试验性治疗结果,显示了积极的疗效。

  转甲状腺素蛋白淀粉样变性是一种危及生命的疾病,患者的主要器官,如神经和心脏中产生了错误折叠的转甲状腺素蛋白,并逐渐积累,因此引发神经和心血管症状,严重时危及患者的生命。

  研究人员研发出的一种药物NTLA-2001实际上就是CRISPR-Cas9基因剪刀,可以有针对性地持久敲除错误折叠的转甲状腺素蛋白。在患者注射后的第28天,研究人员观察到患者产生了药物效果,表明通过靶向敲除转甲状腺素蛋白可以持久降低血清转甲状腺素蛋白浓度,从而治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性。在给药后,有些患者出现了轻度不良事件,但所有患者都没有出现严重不良事件。

  而在此之前的2020年,美国的另一个科学团队使用同样基于CRISPR-Cas9基因编辑疗法的药物CTX001.试验治疗β地中海贫血和重度镰状细胞病。

  β地中海贫血的病因是珠蛋白基因变异,致使血红素无法有效地携带氧气。镰状细胞病是红细胞含有异常的血红蛋白S。当红细胞中含有大量的血红蛋白S,容易变形为镰刀状。由于镰状细胞僵硬,难以通过毛细血管,导致血流阻塞,降低毛细血管阻塞部位组织氧供给。血流阻塞可以导致疼痛,并且随时间延长,可以导致脾、肾、脑、骨骼和其他器官损害,还可能出现肾衰竭和心力衰竭。

  研究人员采用CTX001对收集的患者的干细胞在体外进行基因改造,然后回输到患者体内。CTX001可以把患者的造血干细胞改造成产生高水平胎儿血红蛋白(HbF)的红细胞,因而可以对患者补充供氧。HbF是一种携带氧气的血红蛋白,出生时自然存在,然后转换为成人形式的血红蛋白。CTX001提升HbF水平后可以减轻β地中海贫血患者的输血需求,同时减少重度镰状细胞病患者的痛苦和使人虚弱的镰状细胞危象。试验证明,CRISPR-Cas9基因剪刀有初步治疗β地中海贫血和重度镰状细胞病的功效。

  这两项试验的突破,大大鼓舞了人们利用基因编辑技术治疗人类疾病的信心。当然,目前取得进展的两项突破,针对的还是比较少见的小众疾病,疗效仍需进一步验证。但这给基因编辑技术治疗对人类危害更大的常见疾病,带来了启示和希望。(记者 张田勘)


  
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