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當“魔剪”CRISPR遇上干細胞,會撞出什么火花?

發布時間:2017-07-06 09:10:46

導讀:CRISPR和干細胞是生物醫學領域的兩大熱門研究方向。近日,Cell雜志推出CRISPR特輯——Gene Editing in Stem Cells,用2個SnapShots、2篇綜述以及7篇論文,回顧了近階段基因編輯技術與干細胞之間“擦出的火花”。


     自發現以來,基于CRISPR的基因編輯系統已經從根本上改變了研究者們操縱基因組的能力。近日,Cell雜志推出CRISPR特輯——Gene Editing in Stem Cells,用2個SnapShots、2篇綜述以及7篇論文,回顧了近階段基因編輯技術與干細胞之間“擦出的火花”。

     Cell Stem Cell高級科學編輯Sheila Chari在前沿中寫道:當與干細胞結合時,這些基因編輯工具有能力重塑我們對人類遺傳學、發育生物學和再生醫學的理解?;贑RISPR的平臺已經被成功用于干細胞中,用以解決人類生物學的基本問題,并為疾病建模和藥物發現提供了實驗工具。此外,首個基于CRISPR的干細胞療法已經進入臨床測試。這一特輯集合了這一快速發展的領域的一些最新進展。具體如下:

兩篇綜述

    1# Induced Pluripotent Stem Cells Meet Genome Editing

    當誘導多能干細胞遇上基因組編輯

    這篇由加州大學伯克利分校和MIT的兩位科學家在Cell Stem Cell雜志上發表的綜述文章回顧了人類誘導多功能干細胞(iPSCs)和CRISPR/Cas9技術的發展如何從根本上改變了研究者們對生物醫學、干細胞生物學和人類遺傳學的研究。此外,綜述還討論了iPSC和基因編輯技術存在的一些挑戰,以及兩種技術聯合帶來的道德辯論。

    2# Applications of CRISPR Genome Engineering in Cell Biology

    CRISPR基因組工程在細胞生物學中的應用

    這篇于2016年9月發表在Trends in Cell Biology上的綜述總結了CRISPR在細胞生物學研究中的多種應用,包括功能基因組學研究、轉基因動物模型的構建以及用于活細胞和組織中的基因組成像和譜系追蹤。作者們認為,新型基因組工程方法的發展為理解基因組與表型之間的因果關系提供了一條新的途徑,因此,有望使科學家們對細胞生物學有更全面的了解。


 

Applications of Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)/CRISPR-Associated Protein 9 (Cas9) to Cell Biology Research.

七篇論文

    1# A Single CRISPR-Cas9 Deletion Strategy that Targets the Majority of DMD Patients Restores Dystrophin Function in hiPSC-Derived Muscle Cells

    治療杜氏肌營養不良癥

       這篇于2016年2月在線發表于Cell Stem Cell的論文調查了用CRISPR技術來糾正導致杜氏肌營養不良癥(Duchenne Muscular Dystrophy,DMD)的基因突變(這種突變阻止了dystrophin的翻譯)。研究人員將CRISPR/Cas9平臺應用到DMD衍生的hiPSCs(DMD-derived hiPSCs)上。結果發現,由CRISPR改造后的hiPSC克隆系(clonal lines)衍生出來的心肌細胞和骨骼肌肌小管(myotubes)修復了dystrophin蛋白的生產能力。該研究的共同通訊作者April Pyle說:“這項工作證明了一種可行性,即,利用簡單的基因編輯平臺聯合干細胞的再生能力,可糾正60%DMD患者的基因突變,并修復他們dystrophin的生產。”

    2# CRISPR Interference Efficiently Induces Specific and Reversible Gene Silencing in Human iPSCs

    用CRISPRi有效誘導人類誘導多能干細胞中的基因沉默


 

    這篇論文中,科學家們開發了一種用于抑制人類誘導多能干細胞(iPSCs)中基因表達的CRISPRi(regularly interspaced short palindromic repeat interference)技術。具體來說,CRISPRi能夠特異性地、可逆地抑制iPSCs以及iPSC衍生的心臟祖細胞、心肌細胞和T淋巴細胞中的基因表達。此外,這一基因抑制系統有可能使單個等位基因保持沉默。作者們認為,CRISPRi系統為在各種各樣類型的iPSC衍生細胞中進行基因組規模的篩選,以及分析發育途徑和疾病提供了強大的平臺。

    3# Targeted Epigenetic Remodeling of Endogenous Loci by CRISPR/Cas9-Based Transcriptional Activators Directly Converts Fibroblasts to Neuronal Cells

利用基因編輯技術直接“重編程”細胞的身份

    這篇論文描述了杜克大學的科學家們利用CRISPR/Cas9技術將從小鼠結締組織中分離出的細胞直接轉化成了神經元細胞。

     2006年,日本京都大學的Shinya Yamanaka教授發現了如何讓來自成人結締組織的成纖維細胞返回到未成熟的、能夠分化為任何一種細胞類型的干細胞狀態,即誘導多能干細胞。僅僅六年后,Yamanaka教授就因此獲得了諾貝爾獎。從那以后,研究人員也發現了變換細胞類型的一些其它方法。這些方法主要是通過引入許多“主開關基因”的額外拷貝。這些“主開關基因”表達的蛋白質能夠啟動與形成特定細胞類型密切相關的整個基因網絡。

    而在這項研究中,科學家們提出的轉換細胞類型的策略不再需要引入額外的基因拷貝。他們是利用CRISPR的修改版直接啟動已經存在于基因組中的天然拷貝。早期研究結果表明,這種方法產生的神經元細胞“身份”轉變地更加完整和持久,可能能夠用于神經疾病的建模,以及開發新療法。

4# Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells

干細胞里程碑!科學家首次培育出人豬嵌合體胚胎


 

A 4-week-old pig embryo injected with human pluripotent stem cells

    2017年1月26日,發表在Cell雜志上的這項研究中,來自Salk研究所的科學家小組借助CRISPR技術首次成功培育出了人-豬嵌合體胚胎。該研究的通訊作者 Juan Carlos Izpisua Belmonte表示,這是干細胞研究領域的一個里程碑。

    具體來說,研究人員將人類誘導多能干細胞與豬的胚胎相結合,然后將這些嵌合體胚胎植入代孕母豬體內后,讓這些胚胎發育僅3周或4周,以檢查是否人類細胞發揮了作用。他們共將超過2000個人豬嵌合體胚胎植入到41只代孕母豬體內,一個月后,有186個胚胎存活。

    值得一提的是,實驗中,科學家們使用了3種不同狀態的誘導多能干細胞。結果顯示,中間態多能干細胞(intermediate hPSC)最適合形成嵌合體。該研究的第一作者Jun Wu稱,不同狀態的誘導多能干細胞在豬胚胎中形成“不等程度的嵌合”,但其總體比例較低。“我猜測每10萬個豬細胞中可能只有不到1個人類細胞。”他說?!?/span>詳細

5# A G-Rich Motif in the lncRNA Braveheart Interacts with a Zinc-Finger Transcription Factor to Specify the Cardiovascular Lineage

    解析lncRNA結構和功能

     多年前,生物學家們發現了一種被稱為長非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA)的新型遺傳物質。這類RNA不編碼蛋白質,是從基因組中曾經被認為是“垃圾DNA”的片段中復制過來的。之后,科學家們找到了lncRNA在許多細胞過程中起作用的證據,包括在胚胎發育過程中影響細胞的命運。但究竟lncRNA是如何發揮作用的還不得而知。在這項新研究中,利用CRISPR/Cas9編輯小鼠胚胎干細胞,MIT的生物學家們破譯了一種類型的lncRNA的結構,并利用這些信息弄清了這類lncRNA如何與細胞內的蛋白質相互作用,從而控制心肌細胞的發展。相關成果于去年9月發表在Molecular Cell雜志上。

6# An Isogenic Human ESC Platform for Functional Evaluation of Genome-wide-Association-StudyIdentified Diabetes Genes and Drug Discovery

    中美科學家合作完成糖尿病研究重要成果

    2016年8月,發表在Cell Stem Cell上這項研究中,美國康奈爾大學、中南大學湘雅醫院等機構的科學家們利用人胚胎干細胞(hESCs)平臺和高通量藥物/小分子化合物平臺,結合新型基因打靶技術CRISPR、新一代RNA測序技術以及hESCs定向胰島beta細胞分化技術,在全球首次完成了2型糖尿病易感基因CDKAL1、KCNJ11和KCNQ1在hESCs向胰島beta細胞分化過程中的相關功能驗證,并闡述了這些基因在2型糖尿病發病中的部分機制,同時篩選出一種化學藥物T5224(AP-1抑制劑)可以特異性修復CDKAL1基因缺失所導致的胰島beta細胞功能損傷。

7# Stage-Specific Human Induced Pluripotent Stem Cells Map the Progression of Myeloid Transformation to Transplantable Leukemia

    “精準復制”白血病進展

    2017年2月,發表在Cell Stem Cell雜志上的這一研究中,來自西奈山伊坎醫學院的研究人員創建了一種能夠展示從正常血細胞到白血病一步步進展的新模型。研究中,科學家們利用CRISPR技術將來自骨髓增生異常綜合征和急性髓系白血病患者的血細胞轉變成了誘導多能干細胞。這類干細胞能夠模擬疾病進展的所有階段,從健康狀態到“pre-malignancy”,最后到充分進展的白血病。這一研究標志著科學家們首次能夠將白血病從人類“移植”到試管中,再到小鼠中開展研究。

兩個SnapShots:詳解“魔剪”CRISPR家族

    最后介紹一下這個特輯中包含的兩個SnapShots。這兩個由CRISPR先驅張鋒以及NIH的兩位科學家(Kira S. Makarova和Eugene V. Koonin)發表的SnapShot分別對1類和2類CRISPR-Cas系統進行了描述。

其中,2類CRISPR-Cas系統被分為3種類型、9個亞型。從概念上說,主要包括三個方面的應用:1)基因編輯,包括基因敲除、基因敲入以及引發突變;2)基因調控以及遞送各種功能的部件(如轉錄因子)到DNA中特定的位置;3)靶向ssRNA。

1類CRISPR-Cas系統被分為3個類型(I、III、IV)、12個亞型。在功能方面,文章稱,事實上,1類CRISPR-Cas系統中常見的多個Cas蛋白到目前為止還沒有明確特定的功能。


參考資料:

UCLA’s Stem Cell Gene Therapy Could Treat DMD Patients

Directly Reprogramming a Cell's Identity with Gene Editing

Linking RNA structure and function

中南大學湘雅醫院與美國康奈爾大學聯合公布2型糖尿病最新研究成果

Scientists create novel model that shows progression from normal blood cells to leukemia


 


 


 


 


 



 

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