可定制基因组时代的药物发现:CRISPR革命的意义

2014年7月8日

CRISPR / Cas9系统可实现前所未有的简便性,并可以编辑基因组,从而为药物发现研究人员在设计和开发筛选测定方法时提供了新颖而精确的控制。 CRISPR / Cas9的应用促进了合作,在从被忽视和罕见的疾病到癌症和基因治疗的各个领域取得了重要进展,并有可能改变药物开发的前景。

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CRISPR发现的不可预测之路

自发现以来不到两年的时间里,CRISPR / Cas9引发了生物医学各个领域的疯狂研究,对人类健康具有重要意义。尽管如此,CRISPR / Cas9作为精确靶向基因组编辑系统的发现是一条漫长而circuit回的道路。从1980年代开始,日本大阪大学的Atsuo Nakata博士及其同事观察到了 大肠杆菌 但没有办法了解其生物学功能[1]。直到2007年,Philip Horvath博士及其团队(现为法国杜邦)的Danisco偶然发现了这些基因组区域的功能,同时寻找保护酸奶中细菌免受病毒感染的因素。他们发现具有重复基因组片段(包围与病毒DNA匹配的序列)的细菌更适合感染后生存,是先天免疫的原始形式[2]。含义是巨大的-如果该系统可以重新用于可编程的基因组编辑,这是生物医学研究的长期目标,那么该系统可以对DNA进行序列特异性靶向,因此具有巨大的价值。唯一缺少的是鉴定负责结合和切割DNA的酶。这个难题的关键在于2012年8月,来自加州大学伯克利分校的詹妮弗·杜德纳博士和瑞典于默奥大学的艾曼纽·夏蓬蒂埃博士的洲际合作,他们揭示了Cas9核酸内切酶家族在特定DNA上裂解DNA的能力。靶向单个RNA分子时的位点[3]。借助RNA导向的诱导双链DNA断裂的系统,全世界的科学家开始以前所未有的简便性,特异性和效率进行基因组编辑,从而体验了药物发现的重要进展。

什么是CRISPR?

CRISPR(聚簇有规律间隔的短回文重复序列)是指细菌基因组的基因座,该基因座掺入了要靶向的DNA。 Cas9(CRISPR相关蛋白9核酸酶)是一种内切核酸酶,由小RNA编程以切割DNA。自鉴定以来,研究人员已对Cas9酶进行了修饰,以实现多种定制化应用:1)创建基因敲除(具有非同源末端连接),2)有针对性地置换特定碱基对(具有同源性指导的修复) ),3)基因上调(通过融合到激活域),4)基因组修饰(通过融合到DNA或染色质修饰酶)和5)成像特定基因位点的能力(通过融合到荧光蛋白)[4]。

到目前为止,CRISPR / Cas9如何应用于生物医学创新?

CRISPR / Cas9系统最令人兴奋的应用之一就是通过功能基因组筛选来鉴定治疗新靶标。其中的两个例子包括筛查,这些筛查确定了人类炭疽和白喉毒素化的基本基因[5]和癌症耐药性发展所需的基因[6, 7]。 CRISPR也已用于验证耐药性肿瘤高通量测序分析产生的假设[8]。 CRISPR / Cas9提供的基因组编辑选项将为复杂的化学基因组学研究打开大门,例如在人类疾病模型中同时筛选基因敲除,点突变和同一靶标的过表达。从海量数据收集工作中可以学习到有趣的信息学挑战。具有特异性灭活基因或研究手术突变效果的能力,靶标验证和机制研究将变得更加容易,这对于癌症研究而言尤其重要,因为该技术可以应用于各种组织特异性癌细胞系[9]。

CRISPR / Cas9可用于修饰基因组,用于基因和细胞替代疗法。最近,研究人员将CRISPR / Cas9注射到成年Fah突变小鼠的肝脏中,并且能够逆转这种人类疾病遗传性酪氨酸血症模型的表型[10],通过成人基因组工程,提供了诱人的CRISPR / Cas9直接治疗潜力的一瞥。

除人类细胞外,CRISPR / Cas9还使研究人员能够遗传访问以前难以治疗的生物。最近,研究人员将CRISPR / Cas9应用于人类疟疾寄生虫 恶性疟原虫,揭示了耐药性的新目标和机制[11]。

最后,CRISPR / Cas9在细菌中的作用仍在深入研究中。随着我们对系统自然功能的了解越来越深,我们可能会发现新的利用可能性。例如,目前正在研究CRISPR在多种耐药菌和耐药结核适应中的作用[12, 13]。

合作将如何增强CRISPR在药物发现中的应用?

CRISPR / Cas9与ZFN,TALEN和RNAi等竞争性基因调制技术相比,具有诸多优势,使其在生物医学研究中具有巨大的潜力。然而,现在还处于初期,关于CRISPR / Cas9的脱靶效应和最佳递送方法仍然存在疑问。因此,对于科学界来说,继续合作以了解和解决这些潜在问题将至关重要。 CRISPR / Cas9有望加速新疾病模型的产生和基因功能的快速鉴定,为高通量筛选,靶标验证和药物开发创造了许多新机会,并且需要众多遗传学家,细胞生物学家,和化学家。自从首次作为生物医学研究工具推出以来,CRISPR / Cas9凭借其巨大的潜力已经吸引了科学家的想象力,这让我们很难不知道到底还有什么。

 

 

  1. Yshino等人, Iap基因的核苷酸序列,负责大肠杆菌中碱性磷酸酶的同工酶转化,并鉴定基因产物。 细菌学杂志,1987。 169(12):第5429-33。
  2. Barrangou,R.等, CRISPR为原核生物中的病毒提供了获得的抗性。 科学,2007年。 315(5819):第。 1709-12。
  3. Jinek,M.等, 可编程双RNA指导的DNA核酸内切酶在适应性细菌免疫中的作用。 科学,2012年。 337(6096):第816-21。
  4. Sander,J.D.和J.K.琼 用于编辑,调节和靶向基因组的CRISPR-Cas系统。 Nat Biotechnol,2014年。 32(4):第347-55。
  5. 周Y,等。 针对人细胞中功能基因组学的CRISPR / Cas9文库的高通量筛选。 自然,2014年。 509(7501):第487-91。
  6. O.Shalem等人, 在人类细胞中进行基因组规模的CRISPR-Cas9基因敲除筛选。 科学,2014年。 343(6166):第84-7。
  7. Wang T.等, 使用CRISPR-Cas9系统在人类细胞中进行遗传筛选。 科学,2014年。 343(6166):第80-4。
  8. 卡萨普(Kasap,C。),O。Elemento和T.M.卡普尔 DrugTargetSeqR:一种基于基因组和CRISPR-Cas9的方法来分析药物靶标。 Nat Chem Biol,2014年。
  9. J.L.和W.F.博德默, 用于药物发现和开发的癌细胞系。 癌症研究,2014年。 74(9):第2377-84。
  10. Yin,H.等, 在成年小鼠中用Cas9编辑基因组可纠正疾病突变和表型。 Nat Biotechnol,2014年。 32(6):第551-3。
  11. M. Ghorbal等, 使用CRISPR-Cas9系统编辑人类疟原虫恶性疟原虫中的基因组。 Nat Biotechnol,2014年。
  12. Liu F.等, 结核分枝杆菌临床分离株的比较基因组分析。 BMC基因组学,2014年。 15(1):第469。
  13. 帕尔默和M.S.吉尔莫尔 耐多药的肠球菌缺乏CRISPR-cas。 MBio,2010年。 1(4).

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