在一項新的研究中，來(lái)自美國馬薩諸塞大學(xué)醫學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種利用CRISPR-Cas9和一種很少使用的DNA修復途徑編輯和修復一種特定類(lèi)型的與微重復（microduplication）相關(guān)的基因突變。這種可編程基因編輯方法克服了之前在基因校正中所遭遇的低效率。相關(guān)研究結果于2019年4月3日在線(xiàn)發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“Precise therapeutic gene correction by a simple nuclease-induced double-stranded break”。
圖片來(lái)自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。
論文共同通訊作者、馬薩諸塞大學(xué)醫學(xué)院分子、細胞與癌癥生物學(xué)教授Scot A. Wolfe博士說(shuō)，“這就像擊中重置按鈕（reset button）一樣。我們不需要添加任何校正性的遺傳物質(zhì)，而是細胞將DNA重新拼接在一起，并移除微重復。這是基因校正的捷徑，具有潛在的治療吸引力。”
微重復是染色體發(fā)生變化而使得 DNA上的小片段被拷貝或復制。在某些基因中，當添加的核苷酸數量不能被3整除時(shí)，這些微重復就能夠導致所謂的“移碼突變”。這改變了基因向蛋白的翻譯，從而導致功能喪失。由微重復引起的移碼突變導致多達143種不同的疾病，包括肢帶肌營(yíng)養不良（limb-girdle muscular dystrophy）、赫曼斯基-普德拉克綜合征（Hermansky-Pudlak syndrome）和家族黑蒙性白癡病（Tay-Sachs）。
Wolfe博士是CRISPR-Cas9和其他基于可編程核酸酶的基因編輯方法的專(zhuān)家。大多數這些技術(shù)都需要在缺陷基因處產(chǎn)生DNA鏈斷裂并引入校正性的遺傳物質(zhì)。將新序列插入到DNA斷裂中，并通過(guò)在細胞中發(fā)現的一種稱(chēng)為同源介導修復（homology-directed repair, HDR）的的先天性DNA修復機制進(jìn)行修復。盡管在治療上有希望，但是這種校正基因的方法是低效的并且具有其他的技術(shù)挑戰。
Wolfe和論文共同通訊作者、馬薩諸塞大學(xué)醫學(xué)院威爾斯通肌肉營(yíng)養不良中心主任、神經(jīng)學(xué)教授Charles P Emerson Jr.博士認為可能存在更為直接的方法來(lái)校正由微重復引起的疾病。他們推斷如果微同源介導的末端連接（microhomology-mediated end joining, MMEJ）途徑可以被有效利用，而不是利用同源介導修復途徑，它將會(huì )移除重復序列并恢復基因的功能序列。
與其他的細胞修復機制相比，MMEJ途徑的效率更低，也更稀有。MMEJ途徑通常會(huì )導致DNA斷裂處的兩側發(fā)生缺失，而且MMEJ途徑只負責一小部分DNA修復---據一些估計，不到10%的DNA修復。
Emerson博士有一個(gè)很有希望的疾病目標，用于評估這種編輯方法的可行性---由TCAP基因中的微重復引起的2G型肢帶肌營(yíng)養不良（LGMD2G）。Emerson實(shí)驗室和Wolfe實(shí)驗室構建的釀膿鏈球菌Cas9核酸酶（Strestococcus pyogenes Cas9, SpCas9）靶向TCAP基因的微重復中心附近的DNA斷裂。他們接著(zhù)利用SpCas9處理了源自L(fǎng)GMD2G患者的多能性干細胞。正如他們預測的那樣，MMEJ修復機制移除了這種微重復的一個(gè)拷貝---有效地將DNA重新拼接在一起，拼接效率非常高，因而去除了突變的遺傳物質(zhì)并讓這個(gè)基因得到恢復，從而能夠產(chǎn)生正常的TCAP蛋白。
Emerson說(shuō)，“對TCAP基因微重復進(jìn)行基因編輯的簡(jiǎn)單性和高效性是一個(gè)非常激動(dòng)人心的發(fā)現時(shí)刻，這就為當前無(wú)法治療的LGMD2G開(kāi)發(fā)一種治療方法提供了一個(gè)獨特的機會(huì )，這已成為我們的近期目標。”
有多少種由微重復引起的疾病可能利用MMEJ核酸酶基因編輯加以治療呢？通過(guò)與馬薩諸塞大學(xué)醫學(xué)院兒科副教授Christian Mueller博士合作，這些研究人員證實(shí)與赫曼斯基-普德拉克綜合征1型相關(guān)的HPS1基因中的微重復能夠在患者細胞中加以校正。馬薩諸塞大學(xué)醫學(xué)院神經(jīng)學(xué)助理教授Oliver King博士隨后開(kāi)發(fā)出計算方法來(lái)搜索人類(lèi)基因組數據庫，鑒定出143種與微重復相關(guān)的疾病可能能夠利用他們的Cas9-MMEJ方法加以治療。
Wolfe說(shuō)，“從這樣一個(gè)平常的開(kāi)始，我們相信這種基于MMEJ的治療策略的簡(jiǎn)單性、可靠性和有效性可能允許為許多當前無(wú)法治療的疾病開(kāi)發(fā)出基于核酸酶的基因校正療法。”
參考資料：
Sukanya Iyer et al. Precise therapeutic gene correction by a simple nuclease-induced double-stranded break, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1076-8.
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