在一項新的研究中，來自美國馬薩諸塞大學醫(yī)學院的研究人員開發(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(jié)果于2019年4月3日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“Precise therapeutic gene correction by a simple nuclease-induced double-stranded break”。
圖片來自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。
論文共同通訊作者、馬薩諸塞大學醫(yī)學院分子、細胞與癌癥生物學教授Scot A. Wolfe博士說，“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(shù)量不能被3整除時，這些微重復就能夠?qū)е滤^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，包括肢帶肌營養(yǎng)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家。大多數(shù)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，并通過在細胞中發(fā)現(xiàn)的一種稱為同源介導修復（homology-directed repair, HDR）的的先天性DNA修復機制進行修復。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(zhàn)。
Wolfe和論文共同通訊作者、馬薩諸塞大學醫(yī)學院威爾斯通肌肉營養(yǎng)不良中心主任、神經(jīng)學教授Charles P Emerson Jr.博士認為可能存在更為直接的方法來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途徑通常會導致DNA斷裂處的兩側(cè)發(fā)生缺失，而且MMEJ途徑只負責一小部分DNA修復---據(jù)一些估計，不到10%的DNA修復。
Emerson博士有一個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型肢帶肌營養(yǎng)不良（LGMD2G）。Emerson實驗室和Wolfe實驗室構(gòu)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。他們接著利用SpCas9處理了源自LGMD2G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)并讓這個基因得到恢復，從而能夠產(chǎn)生正常的TCAP蛋白。
Emerson說，“對TCAP基因微重復進行基因編輯的簡單性和高效性是一個非常激動人心的發(fā)現(xiàn)時刻，這就為當前無法治療的LGMD2G開發(fā)一種治療方法提供了一個獨特的機會，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？通過與馬薩諸塞大學醫(yī)學院兒科副教授Christian Mueller博士合作，這些研究人員證實與赫曼斯基-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。馬薩諸塞大學醫(yī)學院神經(jīng)學助理教授Oliver King博士隨后開發(fā)出計算方法來搜索人類基因組數(shù)據(jù)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，“從這樣一個平常的開始，我們相信這種基于MMEJ的治療策略的簡單性、可靠性和有效性可能允許為許多當前無法治療的疾病開發(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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