的前沿基因编辑

想象在一个世界没有囊性纤维化,艾滋病和疟疾;作物抗旱和父母不再需要担心他们的孩子会继承一个讨厌的疾病。看起来遥不可及,甚至乌托邦,但这是一个潜在的现实由于基因编辑技术,是三年前发现的。

定期的技术,称为Crispr(集群空间短回文重复),比以前更加先进基因编辑技术。原则上,它更精确,更快,更容易和便宜,能够删除,修理或更换的基因。它被认为是这样一个升级的科学世界,从人类生物学到农业、由衷地跳上发现。

汤森路透的热分析研究2015年的开始,例如,指出三Crispr论文十大最引用的出版物,基因编辑初创企业出现投资数千万英镑。公司正在相互竞争的商业利用的工具,和诺贝尔奖视为迫在眉睫。说,潜力是巨大的亚历山大·马森加州大学,临床研究员在美国旧金山。应用和发展的速度是惊人的,从基础科学到临床应用”。

Crispr周围的炒作已经成为了一种现象,在很大程度上保证。医学科学家可以看到在不远的将来,以前无法治疗遗传疾病新疗法和许多疾病甚至可以被消除。同时,农业养活迅速增长的人口的解决方案现在触手可及,生物燃料可以变得司空见惯。

Crispr是什么?

都觉得有点奇怪这个细菌造成的。科学家发现重复的DNA序列,点缀着独特的序列,成为被称为Crispr。进一步的研究确定了独特的病毒DNA序列,来自噬菌体感染细菌的病毒。病毒感染的细菌在本质上是保持记录,形成漂亮的微生物的免疫系统的一部分。另一部分是附近Crispr序列;基因编码的酶称为Cas (Crispr-associated蛋白质),DNA-cleaving能力。

Crispr周围的炒作已经成为了一种现象

病毒的DNA序列复制到一个RNA链与中科院酶。由此产生的分子通过细菌细胞漂浮在寻找病毒DNA专门匹配他们的RNA链。比赛结果在RNA和病毒DNA配对,使ca酶呼呼声采取行动和剪断病毒DNA,阻止病毒感染。

这种细菌卫星导航和剪刀组合利用成为genome-editor非凡的,针对特定基因删除任何生物的能力,修复或更换它们。科学家们需要做的就是合成guide-RNA (gRNA)约20基地分子相匹配的目标基因序列和链接ca酶,其中有很多。Cas酶最常用的是Cas9——从引起咽喉炎的细菌——因其效率高、创建一个双链DNA断裂的能力。这就产生了Crispr-Cas9命名,尽管该系统往往只是被称为Crispr。

然后gRNA-Cas9复杂目标的特定基因编辑通过rna dna的碱基配对和Cas9做出削减。一个减少失活的基因。两个削减,有两个gRNAs,消除基因。如果基因是错误的,它可以修复通过添加一个正常的复制基因的细胞,这与切割DNA配对末端形成一个DNA分子。新基因也可以以这种方式插入到基因组。多个gRNAs同时也能导致多个削减,同时编辑多个基因。

纠正或更换一个功能失调的基因可以,原则上,导致正常的基因表达和完整的校正的一种疾病,说比尔Lundberg首席科学官基因编辑启动Crispr疗法。迅速采用Crispr-Cas9更广泛的学术团体和集体努力的研究进而推动该领域的巨大进步,”他说。这是一个激动人心的时刻为我们的产业。”

把科学

技术的变革潜力是巨大的,说Anette Breindl高级科学编辑汤森路透BioWorld。原则上,编辑,可以用Crispr可以使用(早期基因编辑技术)做过锌指核酸酶(ZFN)和转录activator-like效应核酸酶(取得),”她说。但是这些技术的缺点是需要开发一个特定的dna结合蛋白质对于每一个基因的目标,而Crispr使用RNA。这是更复杂的设计比找出互补的RNA结合蛋白序列DNA的你想要的目标。

ZFNs和取得,然而,开始在人类基因打靶和编辑证明自己的价值。生物技术Sangamo生物科学进展其ZFN体内基因编辑研究诊所,和美国食品和药物管理局已批准一个HIV项目的体细胞(这些细胞不是继承),治疗超过80艾滋病病毒感染者。第一阶段试验始于2016年的血友病。同时,取得最近应用于临床基因工程免疫细胞在一个小女孩帮助对抗白血病。尽管取得了这些成就,许多研究人员认为Crispr设计得像现在这样繁琐,应该更加有效。节约成本的新方法也很大。

在农业、Crispr的潜力是在促进抗旱和抗病能力,消除食物过敏原和改善营养成分。化学公司杜邦公司,例如,最近与立陶宛维尔纽斯大学签署协议,基因编辑启动驯鹿生物科学应用程序在这个空间。“我们相信Crispr-Cas拥有巨大的潜力来推进植物育种和农业解决方案的范围扩大到种植者,”说Neal Gutterson研究和开发的副总裁在杜邦先锋。

Crispr,他说,可以加速植物育种,保护植物健康,增加作物产量,“让我们创造更好的解决方案,可能导致更少的环境影响——例如,改良作物,使用更少的水或更有效地使用化肥。利息是今年早些时候美国农业部开始寻求输入在转基因作物的规定,以跟上加速发展。

Crispr工业生物技术也热。它可以用于生成更好的细胞工厂bioproduction化学物质和蛋白质,并创造新的酶洗涤剂和水处理,都是活跃的研究领域。酵母消费已经改变植物和排泄乙醇,可代替石化铺平了道路,而食品集团看看Crispr可用于生物活性和发酵食品。这种技术也可以用来使杂草侵入性较小,改善牲畜的某些特质,甚至创造新的宠物市场,如娇小的猪或设计师的狗。

另一个感兴趣的领域是在针对消除疟疾的蚊子携带的疾病。美国科学家最近培育Crispr-engineered蚊子对疟疾感染。他们认为,昆虫将无法将携带疟疾寄生虫传给人类。这将是一个重大突破,它提供了一个更美味的替代其他研究人员的工作使用Crispr探索基因驱动技术——突变传递到几乎所有的后代和快速穿过人群,目的是完全消灭蚊子。这个已经惊动了生态学家引用不可预见的后果,如影响蝙蝠捕食蚊子或生物的影响接管旧蚊子的栖息地。

Crispr在医学

Crispr的美妙之处在于,应用广泛,但最令人兴奋的进展之一,是人类健康和治疗的潜力。从基础研究的角度来看,Crispr可以帮助更好地理解人类疾病和发现新的治疗目标或基因疗法。例如,Crispr已被用来介绍或改变基因实验室动物产生复杂的动物模型,模拟人类疾病为了查看疾病进展。基因也被释放在其他动物模型研究的生理效应,而其他动物模型有缺陷基因取代,以‘治愈’一种遗传性疾病。

对未来的希望是在实验室科学目前进入人类临床,但仍存在重大障碍先跳。一个主要的问题是如何让Crispr机械进入细胞,需要基因编辑。试图引入Crispr复杂身体或靶器官,如肝脏、胰腺、通过药物传输系统被证明是困难的在实验室动物和这样的研究正处于起步阶段。

尽管如此,麻省理工学院的研究人员在美国能够治愈老鼠的一种罕见的基因肝脏疾病使用的注射器将Crispr到静脉的替代缺陷基因被发现在大约每250插入肝细胞。团队指出,虽然过程是成功和逆转小鼠的条件,相同的交付系统将不适合人类。

目前大多数研究使用的细胞可以很容易地从身体中取出,然后返回到编辑的身体治疗效果。免疫、血液和一些干细胞(可以变成其他类型的体细胞)被认为是最好的候选人。到目前为止,还没有回到Crispr编辑细胞人类。但使用人类血液和免疫细胞基础研究正在进行。

2015年,韩国科学家报道采取一种干细胞从人类错误的F8导致血友病基因,并应用Crispr纠正基因。然后工程干细胞诱导分化成另一种类型的细胞移植到F8不足的老鼠。这些老鼠继续表达正常基因,并不再F8-deficient,有效地治愈疾病。

同时,马森集团一直在探索利用Crispr人类t细胞,免疫细胞的一种。通常Crispr是打包在一种无害的病毒,病毒感染过程运输Crispr劫持到细胞,但这是一种低效的交付系统在人类t细胞,马森说。

Crispr产生改良作物,可以使用更少的水

所以,他的团队与电场疲倦的t细胞,穿梭于一个特别设计的通过小孔Crispr复杂细胞的膜造成的电击。工作:50 - 60%的t细胞可以被编辑,和20%的细胞Crispr机械能够削减和插入特定DNA序列在基因组中有针对性的网站。以这种方式,团队改变了两个基因在收获t细胞培养皿:趋化因子受体CXCR4, t细胞是HIV病毒进入的门户;PD-1,能有效阻止t细胞杀死癌细胞。愿景是重新设计t细胞,这样他们可以抵抗艾滋病毒或提高他们的抗癌特性。

“对我们来说,Crispr的优点是,它是可伸缩的,我们可以看看迅速大量的基因,”马森说。我极大地鼓励进步的速度场虽然还是在临床前阶段。”马森现在想使用Crispr理解为什么免疫系统不能正常工作,工程师更好的t细胞和寻找未来的治疗靶点。他也相信Crispr可能是一个强大的工具在CAR-T(嵌合抗原受体)的研究,从癌症患者t细胞,工程与抗癌大国和重新引入病人。

人类生殖细胞系编辑

2015年4月,消息震惊了世界,中国科学家们第一次编辑人类胚胎的基因组。团队,从广州中山大学,旨在用Crispr替代血液疾病的基因ß-thalassaemia。

86不能存活的胚胎注射Crispr,科学家报道,仅仅28编辑,包含新基因的更少。很多马赛克,只有一些细胞在胚胎被编辑,和不相干的分裂也观察到。我们的研究强调Crispr-Cas9临床应用面临的挑战,”该报告的作者,由Canquan周和黄Junjiu写道。他们声称这项研究表明Crispr仍处于初级阶段,并敦促进一步调查的Crispr人类急需的任何临床应用之前发生。

虽然这项研究强调了局限性,仍然需要解决,它还唆使一个巨大的争论。对许多人来说,人类胚胎的研究跨越了一条线,预示着滑坡的设计婴儿和优生学的担忧,以及意想不到的突变的威胁可能会介绍并传递至下一代。

然而,中国纸不需要科学家知道Crispr可以应用到人类胚胎和生殖细胞系(生殖细胞,卵子和精子),这将使基因变化,可以传递给后代。人类生殖细胞系基因改造的争论发生了几十年,”艾伦•Regenberg表示外联主任和研究支持在巴尔的摩约翰霍普金斯大学伯曼生物伦理研究所,我们(读我们的采访他)。但担忧正在放大,新的基因编辑技术是便宜,方便和精确。这些属性使前景,这种技术可以应用在人类突然非常真实。”

这场争论在中国加速需要峰会。三天,2015年12月,科学家们聚集在华盛顿特区,我们,产生共识声明如何推进Crispr和其他基因编辑研究。得出结论,基本和临床前研究基因编辑是允许的,甚至在人类胚胎和生殖细胞系,但修改后的细胞不应该被用来建立一个怀孕的。也被认为是适当的,在现有的监管框架,该基因编辑用于临床应用治疗疾病在人类细胞不能被继承,如血液和免疫细胞。

但是人类生殖细胞系编辑,要么消除遗传疾病,阻止他们被传递给后代或加强人类的能力,被认为风险太大太多的问题。这是同意这个职位应该定期回顾,应该创建一个国际论坛。

这些结论意味着研究可以继续以这种方式,将提供有关人类遗传学的新见解和发展,以及提供更多信息的安全性和有效性基因编辑、Regenberg说。这是一个好消息对于许多包括英国的弗朗西斯·克里克研究所,目前申请通过Crispr基因修改人类胚胎研究不孕。克里克胚胎将最终摧毁了,但研究人员希望看看所需的基因成功的人类发展的早期阶段理解为什么流产发生在某些情况下。

但仍有强大的未知数。这场辩论伦理和社会问题也突出了问号在安全性、有效性和Crispr未知的后果。这些包括不相干的突变和编辑——不仅在人类治疗但Crispr所有的潜在用途和应用程序。还有后勤挑战:如何让Crispr机械进入人体细胞没有从身体中删除它们。与此同时,新gene-cutting酶已经被发现,相比Cas9质疑他们的效率。,还有很多东西要学习各种基因组:哪些基因代码,它们如何相互作用以及它们如何监管。“Crispr有如此多的牵引速度很快,很容易忘记方法只有几岁,“Breindl说。

也就是说,技术发展和使用Crispr将试图回答这些问题。尽管争论,将来,技术没有显示出放缓的迹象。Crispr,似乎是在实现其潜力。