纠正致病突变的新技术可带来高效的基因治疗方法

2021年06月13日 07:59 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由麦戈文研究所研究人员开发的新方法可能导致更安全、更高效的基因疗法。基因编辑,或有目的地改变一个基因的DNA序列,是研究突变如何导致疾病,以及为治疗目的改变一个人的DNA的有力工具。

由麻省理工学院James W. (1963)和Patricia T. Poitras脑与认知科学教授冯国平领导的团队现在已经开发出一种可用于这两种目的的新型基因编辑方法。

RAD51-Staining-Embryo.jpg

这一技术进步可以加速动物疾病模型的生产,关键是为纠正致病突变开辟了一种全新的方法,冯国平也是哈佛大学和麻省理工学院布罗德研究所的成员以及麻省理工学院麦戈文大脑研究所的副主任。这些新发现于2021年5月26日在线发表在《细胞》杂志上。

疾病的遗传模型

冯实验室的一个主要目标是通过工程化的动物模型,携带导致人类这些疾病的基因突变,精确定义神经发育和神经精神疾病的问题所在。新的模型可以通过给胚胎注射基因编辑工具,以及携带所需突变的DNA片段来生成。

在其中一种方法中,基因编辑工具CRISPR被编程为切割目标基因,从而激活自然DNA机制,用注入的模板DNA "修复"被破坏的基因。然后,工程细胞被用来产生能够将基因变化传递给后代的后代,创造出一个稳定的基因系,在其中测试疾病和治疗方法。

尽管CRISPR加速了生成此类疾病模型的过程,但这一过程仍然可能需要数月或数年。效率低下的原因是许多经过处理的细胞根本没有发生所需的DNA序列变化,而且这种变化只发生在两个基因拷贝中的一个(对于大多数基因,每个细胞包含两个版本,一个来自父亲,一个来自母亲)。

为了提高基因编辑过程的效率,Feng实验室团队最初假设,在CRISPR基因编辑工具的标准混合物中加入一种名为RAD51的DNA修复蛋白,这将增加一个细胞(在这种情况下是受精小鼠卵,或单细胞胚胎)发生所需基因变化的机会。

作为一个测试案例,他们测量了他们能够插入("敲入")与自闭症有关的基因Chd2的突变的速度。被正确编辑的胚胎的总体比例保持不变,但令他们惊讶的是,在两条染色体上携带所需基因编辑的比例明显更高。用一个不同的基因进行的测试也产生了同样的意外结果。

"同时编辑两条染色体通常是非常不常见的,"博士后Jonathan Wilde解释说。Wilde说:"用RAD51看到的高编辑率确实令人震惊,而且开始时只是简单地尝试制造突变体Chd2小鼠,很快就变成了一个更大的项目,专注于RAD51及其在基因组编辑中的应用。"他与研究科学家Tomomi Aida共同撰写了《细胞》的论文。

分子复制机

冯实验室团队接下来着手了解RAD51增强基因编辑的机制。他们假设RAD51参与了一个叫做同源体间修复(IHR)的过程,即一条染色体上的DNA断裂以该染色体的第二个拷贝(来自另一个亲本)为模板进行修复。

为了测试这一点,他们给小鼠胚胎注射了RAD51和CRISPR,但不包括模板DNA。他们对CRISPR进行编程,只切割其中一条染色体上的基因序列,然后测试它是否被修复以匹配未切割染色体上的序列。在这个实验中,他们不得不使用母体和父体染色体上的序列不同的小鼠。

他们发现,单独注射CRISPR的对照组胚胎很少出现IHR修复。然而,加入RAD51后,CRISPR靶向基因被编辑成与未切割的染色体相匹配的胚胎数量明显增加。

"以前对IHR的研究发现,它在大多数细胞中的效率低得惊人,"Wilde说。"我们发现它在胚胎细胞中更容易发生,并且可以被RAD51增强,这表明更深入地了解是什么使胚胎允许这种类型的DNA修复,可以帮助我们设计更安全和更有效的基因疗法。"

纠正致病突变的新方法

标准的基因治疗策略依赖于注入一个纠正性的DNA片段,作为修复突变的模板,采用一种叫做同源定向修复(HDR)的过程。"基于HDR的策略仍然存在效率低下的问题,并且存在供体DNA在整个体内不需要的整合风险。

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