頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》近日在線發(fā)表了一篇重要論文，由麻省理工學(xué)院（MIT）McGovern大腦研究所講席教授、美國(guó)人文與科學(xué)院院士馮國(guó)平教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，意外發(fā)現(xiàn)一種分子可以極大增加CRISPR基因編輯工具的效率，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種新的基因編輯技術(shù)，可用于研究和改變致病基因突變。

“這一技術(shù)進(jìn)步能夠用于加速建立動(dòng)物疾病模型，更重要的是，開(kāi)辟了一種全新的方法來(lái)糾正致病突變?！瘪T國(guó)平教授評(píng)論。

馮國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)致力于研究神經(jīng)發(fā)育和精神疾病的發(fā)生機(jī)制，為此他們創(chuàng)建了多種動(dòng)物模型，把導(dǎo)致人類疾病的基因突變導(dǎo)入動(dòng)物體內(nèi)，并使得基因突變可以繼續(xù)傳給下一代。

基因編輯工具CRISPR的應(yīng)用為這類動(dòng)物疾病模型的創(chuàng)建帶來(lái)了很大幫助。一種方法是向小鼠胚胎注射基因編輯工具以及攜帶了特定突變的DNA片段。CRISPR可以靶向目標(biāo)基因的特定序列進(jìn)行剪切，然后用注入的DNA片段“修復(fù)”斷裂的DNA鏈。

然而，研究人員指出，利用這種方法構(gòu)建疾病模型仍然可能需要好幾個(gè)月甚至幾年時(shí)間，造成效率低下的原因是，許多處理過(guò)的細(xì)胞根本沒(méi)有發(fā)生研究人員想要的DNA序列變化，變化只發(fā)生在兩個(gè)基因拷貝中的其中一個(gè)。但對(duì)于大多數(shù)基因來(lái)說(shuō)，一個(gè)細(xì)胞里包含了分別來(lái)自母親和父親的兩個(gè)基因拷貝。

為了提高基因編輯過(guò)程的效率，在這項(xiàng)研究中，馮國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)起初設(shè)想了在標(biāo)準(zhǔn)的CRISPR基因編輯工具中添加一種DNA修復(fù)蛋白R(shí)AD51，以便讓目標(biāo)細(xì)胞——小鼠的受精卵如愿產(chǎn)生想要的基因變化。

研究人員針對(duì)自閉癥相關(guān)基因Chd2進(jìn)行了測(cè)試，將一個(gè)點(diǎn)突變插入該基因。結(jié)果令人驚訝：被正確編輯的胚胎在總體比例上保持不變，但其中兩條染色體上都進(jìn)行了所需基因編輯的比例明顯提高，甚至可達(dá)到100%。后續(xù)在其他基因上進(jìn)行的測(cè)試產(chǎn)生了相同的結(jié)果。

“通常來(lái)說(shuō)，同時(shí)編輯兩條染色體非常罕見(jiàn)，”這項(xiàng)研究的第一作者Jonathan Wilde博士解釋說(shuō)，“加入RAD51后的編輯比例之高令人震驚?！?

于是，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而專注于研究RAD51在基因編輯中的作用。他們經(jīng)過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)RAD51之所以能夠增強(qiáng)基因編輯，與一種被稱為“同源間修復(fù)”（IHR，interhomolog repair）的DNA修復(fù)過(guò)程有關(guān)，指的是一對(duì)染色體中，一條染色體會(huì)以另一條染色體為模板，來(lái)修復(fù)斷裂的DNA。相比之下，目前標(biāo)準(zhǔn)的基因治療策略通常依賴于同源定向修復(fù)（HDR，homology-directed repair），也就是把注入的外源DNA片段作為修復(fù)模板。

▲研究示意圖：添加RAD51顯著增加了同源間修復(fù)的比例（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

“先前關(guān)于IHR的研究顯示，大多數(shù)細(xì)胞中的IHR效率是非常低的，”Wilde博士說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，IHR可以在胚胎細(xì)胞中更穩(wěn)定地發(fā)生，并且被RAD51增強(qiáng)。這意味著，隨著更加深入地理解哪些因素讓胚胎允許這種類型的DNA修復(fù)，我們可以設(shè)計(jì)出更安全、更有效的基因療法。”

“基于HDR的策略仍然存在效率低的問(wèn)題，并且還有在整個(gè)基因組中發(fā)生不必要的整合外來(lái)DNA的風(fēng)險(xiǎn)，”馮教授補(bǔ)充說(shuō)，“而IHR有潛力克服這些問(wèn)題，因?yàn)樗蕾囂烊坏募?xì)胞通路和患者自身的正常染色體來(lái)糾正有害突變。”

這支研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)還在尋找其他可以刺激IHR的DNA修復(fù)相關(guān)蛋白，深入了解IHR機(jī)制，最終應(yīng)用該技術(shù)開(kāi)發(fā)出讓基因治療更安全的方法。

參考資料：

[1] Jonathan J. Wilde et al., (2021) Efficient embryonic homozygous gene conversion via RAD51-enhanced interhomolog repair. Cell DOI：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.035

[2] McGovern lab develops new technique for correcting disease-causing mutations. Retrieved June 1, 2021 from https://mcgovern.mit.edu/2021/05/26/mcgovern-lab-develops-new-technique-for-correcting-disease-causing-mutations/