基因組編輯技術CRISPR/Cas9被《科學》雜志列為2013年年度十大科技進展之一，受到人們的高度重視。CRISPR是規律間隔性成簇短回文重復序列的簡稱，Cas是CRISPR相關蛋白的簡稱。CRISPR/Cas最初是在細菌體內發現的，是細菌用來識別和摧毀抗噬菌體和其他病原體入侵的防御系統。
圖片來自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。
2018年11月26日，中國科學家賀建奎聲稱世界上首批經過基因編輯的嬰兒---一對雙胞胎女性嬰兒---在11月出生。他利用一種強大的基因編輯工具CRISPR-Cas9對這對雙胞胎的一個基因進行修改，使得她們出生后就能夠天然地抵抗HIV感染。這也是世界首例免疫艾滋病基因編輯嬰兒。這條消息瞬間在國內外網站上迅速發酵，引發千層浪。有部分科學家支持賀建奎的研究，但是更多的是質疑，甚至是譴責。
即將過去的12月份，有哪些重大的CRISPR/Cas研究或發現呢？小編梳理了一下這個月生物谷報道的CRISPR/Cas研究方面的新聞，供大家閱讀。
1.Nature：從結構上揭示一種新型基因編輯復合物的作用機理
doi:10.1038/s41586-019-1849-0
一項新的研究中，來自美國哥倫比亞大學的研究人員捕捉到一種由對現有的基于CRISPR的工具進行改進而產生的新型基因編輯工具的首批結構圖片。他們在霍亂弧菌中發現一種獨特的“跳躍 基因”并且這種跳躍基因可以在基因組中插入較大的基因負荷（genetic payload，即DNA序列）而不引入DNA斷裂，基于此，他們開發出這種稱為INTEGRATE的新型基因編輯工具。相關研究結 果近期發表在Nature期刊上，論文標題為“Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR–Cas system”。論文通訊作者為哥倫比亞大學瓦格洛斯內外科學院生物 化學與分子生物物理學助理教授Samuel Sternberg博士和哥倫比亞哥倫比亞大學生物化學與分子生物物理學助理教授Israel Fernandez博士。
INTEGRATE復合物的結構顯示Cascade(深藍色)、TniQ(淡藍色)和向導RNA(紅色)，圖片來自Sternberg and Fernández Labs at Columbia University Irving Medical Center。
這些研究人員使用了一種稱為低溫電鏡的技術，該技術涉及在液氮中快速冷凍這種基因編輯復合物樣品，然后用電子轟擊它。他們隨后使用在電子顯微鏡下捕獲的圖片產生這種INTEGRATE系統 的原子分辨率結構模型。
這種結構模型揭示這種基因編輯復合物由兩個主要部分組成，這兩個主要部分排列成螺旋絲狀結構。在這兩個主要部分中，較大的部分稱為Cascade，纏繞并攜帶向導RNA（gRNA），用于掃描 細胞中匹配的DNA序列。一旦Cascade定位并結合了靶序列，它將使DNA鏈穿過位于這種基因編輯復合物末端的TniQ“轉座”蛋白，并招募其他有助于修飾靶DNA序列的酶。
INTEGRATE的這種掃描機制似乎與其他經過充分研究的CRISPR系統的工作方式相似，其中的一些CRISPR系統也含有帶有gRNA的Cascade復合物。但是，與其他使用Cascade靶向DNA進行切割的 CRISPR系統不同的是，INTEGRATE中Cascade的功能是靶向DNA以便基因負載的高精度插入。
2.Nature：重大發現！首次揭示噬菌體利用細胞核樣區室保護自身基因組免受CRISPR核酸酶切割
doi:10.1038/s41586-019-1786-y
細菌和感染它們的病毒正在進行一場與生命本身一樣古老的分子軍備競賽。進化為細菌配備了一系列可靶向并破壞病毒DNA的免疫酶，包括CRISPR-Cas系統。但是，殺死細菌的病毒（也稱為噬 菌體）已設計出了它們自己的工具來幫助它們戰勝這些最強大的細菌防御。
如今，在一項新的研究中，來自美國加州大學舊金山分校和加州大學圣地亞哥分校的研究人員發現一種引人注目的新策略，一些噬菌體采用這種新策略來避免成為這些DNA切割酶的下一個受害 者：在感染細菌后，這些噬菌體在細菌宿主內部構建了一種難以穿透的“區室”，從而保護脆弱的噬菌體DNA免受這些抗病毒酶的侵害。這種類似于細胞核的區室是迄今為止在病毒中發現的最 有效的CRISPR屏蔽層。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為“A bacteriophage nucleus-like compartment shields DNA from CRISPR nucleases”。
論文通訊作者、加州大學舊金山分校微生物學與免疫學系助理教授Joseph Bondy-Denomy博士說，“在我們的實驗中，這些噬菌體并不屈服于它們遭遇的任何靶向DNA的CRISPR系統。這是首次 在噬菌體表現出這種水平的泛CRISPR抵抗性（pan-CRISPR resistance）。”
3.Nat Commun：I型CRISPR系統用于“切割”-“粘貼”基因
doi:10.1038/s41467-019-13226-x
修復有缺陷的基因以預防和治愈疾病是研究人員多年努力的方向。盡管2類CRISPR系統作為人類細胞中的基因編輯工具顯示出巨大的希望。然而，在本月發表于《Nature Communications》雜 志上的一項研究中，由大阪大學領導的日本研究人員描述了一種新的基因組編輯方法：基于Cas3的1類CRISPR系統可以提供更有效，更安全的替代方案，成功修復杜氏肌營養不良癥中的基因突 變。
圖片來源：Www.pixabay.com。
這項研究的主要作者Hiroyuki Morisaka說：“ Class 2 CRISPR系統，特別是那些使用Cas9或Cas12a酶的系統，被廣泛用于真核基因組編輯。” “但是，這些系統并不完美：除了引入意想不 到的突變外，使用這些方法的基因組編輯效率可能會有所不同。”
該團隊使用基于Cas3蛋白的1類CRISPR系統，成功地證明了人類細胞中DNA的缺失和插入。值得注意的是，Cas3蛋白誘導了DNA大片段的單向缺失，使其與通常需要幫助實現如此大的基因組編輯 的2類酶區分開。不過最重要的是，Cas3比Cas9實現了更有效的基因組編輯，沒有明顯的脫靶效應。
為了證實該系統的治療潛力，研究人員對來自杜興氏肌營養不良患者的誘導多能干細胞中的DMD基因進行了Cas3修復。實驗結果表明，這種基于Cas3的方法為2類CRISPR基因編輯系統提供了更 好的選擇。除了其明顯的治療用途外，他們還設想了在藥物發現，疾病預防和作物改良方面的潛在應用。
4.賀建奎論文手稿遭曝光，披露基因編輯嬰兒不為人知的秘密
新聞來源：China’s CRISPR babies: Read exclusive excerpts from the unseen original research
今年早些時候，有消息人士向《麻省理工科技評論（MIT Technology Review）》雜志發送了賀建奎（He Jiankui）的一份未發表的論文手稿的副本，該手稿副本描述了制造去年在中國出生的首批經過基因編輯的嬰兒---一對稱為露露（Lulu）和娜娜（Nana）的雙胞胎女性嬰兒---的實驗過程。這份手稿顯示了他在制造露露和娜娜時忽略了倫理規范和科學規范。2019年12月3日，《麻省理工科技評論》首次公開了該手稿的摘錄。
這篇未發表的論文手稿標題為“Birth of Twins After Genome Editing for HIV Resistance（基因組編輯后抵抗HIV的雙胞胎出生）”，共有4699個英語單詞，由中國生物物理學家賀建奎撰寫。《麻省理工科技評論》還接受到第二份討論了關于人類和動物胚胎的實驗室研究的論文手稿。
《麻省理工科技評論》收到的這些手稿文件中的描述性文字表明賀建奎在2018年11月下旬對這兩份手稿進行了編輯，并且它們似乎是他最初提交的用于發表的論文手稿。在經過至少兩個著名期刊Nature和JAMA的評審后，他的論文手稿仍未發表。
這份關于這對基因編輯雙胞胎的論文手稿的正文寫著可以“控制HIV流行病”的醫學突破的說辭。它聲稱使用一種“新型療法”在讓這兩名女性嬰兒對HIV產生抵抗力方面取得“成功（這個單詞不止一次使用）”。然而令人吃驚的是，它很少嘗試證實這對雙胞胎確實對這種病毒具有抵抗力。這份論文手稿的正文在很大程度上忽略了該手稿中其他地方存在的表明這種基因編輯出錯的數據。
《麻省理工科技評論》與四位專家---一名法律學者、一名試管嬰兒醫生，胚胎學家和基因編輯專家---分享了這些未發表的論文手稿，并詢問他們的評論意見。他們的觀點都認為這一做法很不科學，其中包括：賀建奎和他的團隊提出的關鍵主張得不到數據的支持；這對雙胞胎嬰兒的父母迫于壓力才勉強同意參加這項基因編輯實驗；所謂的臨床益處實在令人懷疑；這些研究人員在完全了解自己進行基因編輯的效果之前就著手制造活的基因編輯嬰兒。
5.Nat Commun：新型CRISPR基因編輯技術可用于靶向擴增的抗生素抗性基因
doi:10.1038/s41467-019-13649-6
美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校的科學家們開發了新型基于CRISPR的基因驅動系統Pro-AG，該系統顯著提高了滅活細菌耐藥性基因的效率。該研究于12月16日發表在《Nature communications》雜志上。
圖片來自Nature communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-13649-6.
抗生素的廣泛使用已導致環境中抗菌素耐藥性的上升。健康專家預測，在未來幾十年中，抗生素耐藥性的威脅可能會急劇增加，如果不加控制，到2050年每年將導致約一千萬的耐藥性疾病死亡。
Pro-AG是基于CRISPR-Cas9基因編輯技術的改進。Pro-AG系統解決了一個棘手的問題，即以質粒，環狀DNA形式存在的抗生素耐藥性，這種環狀DNA可以獨立于細菌基因組復制。攜帶抗生素抗性基因的質粒的多拷貝或"擴增質粒"可以存在于每個細菌中，并具有在細菌之間轉移抗生素抗性的能力，從而對成功治療提出了艱巨的挑戰。Pro-AG通過插入修復機制來破壞抗生素抗性基因的活性，其效率比目前的插入和破壞方法高至少兩個數量級。
6.Vertex揭示了在首批接受CRISPR/Cas9基因編輯療法患者中激動人心的數據
新聞來源：Vertex reveals promising data from first CRISPR-treated patients
Vertex及其合作伙伴CRISPR Therapeutics公布了其CRISPR/Cas9基因編輯療法CTX001治療的前兩名患者的初步陽性數據。令人印象深刻的數據表明，這兩名患有嚴重血紅蛋白病，分別為依賴輸血的β地中海貧血（TDT）和嚴重的鐮狀細胞病（SCD）的患者很可能可以通過該療法被治愈。
TDT患者于2019年第一季度接受了CTX001，該患者的數據反映了9個月的安全性和有效性隨訪。在參加研究之前，TDT患者每年需要輸血16.5次。在CTX001治療的9個月間，患者是不進行輸血的，總血紅蛋白水平為11.9g/dL，10.1g/dL胎兒血紅蛋白和99.8％的F細胞。
在參加研究之前，SCD患者每年經歷7次血管閉塞危機（VOC）。CTX001輸注后四個月，患者無VOC，總血紅蛋白水平為11.3g/dL，胎兒血紅蛋白為46.6％，F細胞為94.7％。
但是，兩名患者在用CTX001治療期間均出現了副作用，但主要研究者并未將這些不良事件視為與研究治療有關。副作用被認為與接受CRISPR治療的準備有關，患者必須先接受化療以破壞其舊的骨髓細胞，這可能會引起不良事件。
7.Circulation：我國科學家發現CRISPR/Cas9基因編輯有望治療家族性高膽固醇血癥
doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.119.042476
家族性高膽固醇血癥（Familial Hypercholesterolemia）又稱家族性高β脂蛋白血癥。它的臨床特點是高膽固醇血癥、特征性黃色瘤和早發心血管疾病家族史。家族性高膽固醇血癥是兒童期最常見的遺傳性高脂血癥，也是脂質代謝疾病中最嚴重的一種，可導致各種危及生命的心血管疾病并發癥出現，是冠狀動脈疾病的一種重要危險因素。
在一項新的研究中，來自中國科學院、上海科技大學、暨南大學和南京醫科大學的研究人員在小鼠體內進行AAV-CRISPR/Cas9介導的Ldlr基因校正能夠部分上拯救LDLR表達，并且有效地緩解Ldlr突變小鼠中的動脈粥樣硬化表型，從而為治療家族性高膽固醇血癥患者提供一種潛在治療方法。相關研究結果近期發表在Circulation期刊上，論文標題為“In Vivo AAV-CRISPR/Cas9–Mediated Gene Editing Ameliorates Atherosclerosis in Familial Hypercholesterolemia”。