CRISPR/Cas9 技術在疾病治療中的應用研究進展

郝靜然,王少峽

(天津中醫藥大學中西醫結合學院,天津 301600)

規律間隔成簇短回文重復序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,CRISPR)基因編輯技術是目前逐漸興起的一種基因編輯手段,因其操作便捷、簡單、快速、精準等特點而在醫學研究領域得到了迅速發展,獲得了眾多研究者的青睞。2012年,Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna發表了一篇關于細菌可以利用CRISPR/Cas9系統來沉默外源入侵的核酸的文章,并對該機制進行了研究,其研究結果顯示出該項技術在基因編輯方面的潛力,二人也因該項研究于2020年被授予諾貝爾化學獎[1]。本世紀初以來,針對CRISPR/Cas9基因編輯技術的研究逐漸興起,吸引了生物界、醫學界等眾多科學家們的目光,在醫藥、農業、工業等領域得到廣泛應用,包括基因敲除、基因編輯、基因組篩選等各種基因編輯方向。本文將對此做一簡要綜述。

1 CRISPR/Cas9系統概述

CRISPR/Cas9是細菌和古細菌在長期演化過程中形成的一種適應性免疫防御,可用來對抗入侵的病毒及外源DNA。CRISPR/Cas9系統通過將入侵噬菌體和質粒DNA的片段整合到CRISPR中,并利用相應的RNA酶來指導同源序列的降解,從而達到對自身的保護性。研究表明,CRISPR/Cas9基因組編輯系統的構成有內切核酸酶-Cas9和指導RNA-gRNA兩個部分。根據CRISPR-Cas位點的不同,可將CRISPR系統分為六種不同的類型,而我們常用的是II型CRISPR系統即CRISPR/Cas9基因組編輯系統,它可以利用單個內切核酸酶-Cas9斷裂外源雙鏈DNA。CRISPR位點上有三個功能區—反向轉錄的特異性非編碼RNA(trancrRNA)區、不同cas基因區以及CRISPR array區,三者呈線性排列于一條DNA鏈上[2]。其中Cas區用來指導切割DNA序列的核酸酶的形成,CRISPR array區包含repeat序列和spacer序列,外源基因入侵時就會插入spacer序列進行轉錄。其抵抗外源DNA入侵的分子機制是：當某病毒首次感染細菌時,來自病毒的基因組的一個片段會整合到該細菌的CRISPR/Cas9的間隔區；當同一病毒再次感染該細菌時,細菌中已整合外源基因的CRISPR基因將會轉錄形成一種pre-crRNA,pre-crRNA經過一系列的加工處理可以形成含有與外源基因相匹配序列的crRNA,此crRNA可識別該病毒基因組的同源序列,然后介導Cas蛋白定向到病毒基因組的互補區合并切割相應DNA片段,以保護自身免遭入侵[3]。

2 CRISPR/Cas9系統的應用

2.1 CRISPR/Cas9系統用于疾病機制研究近來CRISPR/Cas9技術在疾病機制研究中成功報道越來越多。研究發現,運用CRISPR/Cas9系統在HepG2肝癌細胞系中構建GSTZ1基因敲除模型,可以探索其對肝癌細胞生長遷移的影響。實驗使用慢病毒包裝質粒和已含有靶向sgRNA的LentiCRISPR-V2載體共轉染HEK293T細胞,得到包裝好的慢病毒后再用以感染HepG2細胞,證得GSTZ1基因缺失會明顯促進肝癌細胞的遷移和增殖能力,這提示GSTZ1基因可能是肝癌細胞的抑癌基因,參與調控肝癌的發生發展[4]。有研究者利用CRISPR/Cas9系統成功敲除人源結腸癌細胞SAM-HD1基因,實驗表明該基因缺失后,結腸癌細胞的增殖能力顯著增強,且能抵抗DNA損傷,這不僅有利于人們對結腸癌進行更深入的研究還有助于探究SAM-HD1基因在其他腫瘤中的作用[5]。為探討親環素A(CyPA)對于肺癌細胞放射增敏的作用,有實驗采用CRISPR/Cas9技術,建立CyPA基因敲除的肺腺癌H1975疾病細胞模型,加入中藥扶正增效湯,建立四組實驗,最終得出扶正增效湯可能是通過降低CyPA的表達來抑制肺癌細胞的生長存活[6]。也有文獻報道可以利用CRISPR/Cas9-SAM系統構建CHD5基因過表達慢病毒載體,用其感染T24細胞后證得細胞內的CHD5基因的mRNA和蛋白的表達均有增加,并且分析得出CHD5基因對于膀胱癌細胞的生長有一定的影響作用[7]。同時,CRISPR/Cas9系統還可以被應用在探究先天性心臟病以及針對HIV、皰疹病毒、人乳頭瘤病毒等可能引發病毒感染性疾病的研究中[8-9]。

2.2 CRISPR/Cas9系統用于建立動物疾病模型和篩選新藥建立動物模型是新藥研發的基礎,由于傳統基因編輯技術的諸多不便,CRISPR/Cas9技術越來越多的被用于動物模型的建立,該技術不僅具有合成設計簡便、遺傳穩定、高效率耗時短等優點,還可以對細胞內的多個基因同時進行編輯,建立出與人類疾病相似的動物模型,上述優點讓我們看到了該技術的巨大應用潛力。近日有實驗為研究Slc20a2基因是否與原發性家族性腦鈣化病的發病機制有關,利用CRISPR/Cas9基因編輯技術聯合Cre-LoxP系統構建了敲除紋狀體Slc20a2基因的小鼠模型,該組織特異性基因敲除解決了全身性基因敲除可能會導致的胎兒生長受限問題,從而為之后研究該病的發病機制和針對該病治療藥物藥物的研究提供了更好的動物模型[10]。CRISPR/Cas9系統還可以被應用在心血管領域的研究中,2017年Chia-Wei Chang等在CRISPR/Cas9技術的介導下建立了人胚胎干細胞FHL2基因敲除細胞系,為心肌病研究與藥物篩選提供了疾病細胞模型[11]。細胞色素P450 2J2(CYP2J2)酶是體內重要代謝酶之一,但尚無用于研究藥物代謝和藥代動力學的CYP2J基因敲除大鼠模型,2020年9月有實驗成功建立了敲除人CYP2J2的直系同源基因大鼠CYP2J3 / 10的動物模型,能夠為研究CYP2J在藥物代謝和心血管疾病中的功能提供有用幫助[12]。為探究Sprr2f基因在腎損傷中的作用,Kieu My Huynh團隊使用CRISPR-Cas9技術建立Sprr2f基因敲除(Sprr2f-KO)小鼠模型,研究結果表明Sprr2f基因起一定的腎臟保護作用,給此后針對腎臟用藥的藥物篩選提供了理論基礎[13],這些動物模型的建立為新藥的研發奠定了堅實的基礎。

2.3 CRISPR/Cas9基因編輯技術應用于治療近年來,隨著技術的不斷創新與完善,研究者們越來越多將CRISPR/Cas9基因編輯技術應用于疾病的治療。目前已有研究發現利用CRISPR/Cas9基因編輯技術對巨噬細胞進行改造,當巨噬細胞和其前體單核細胞中出現特異性Cas9蛋白時,再將靶向Ntn1的gRNA(sgNtn1)構入質粒中以敲除巨噬細胞和其前體單核細胞中的Ntn1,可以使其編碼蛋白含量下降從而達到緩解Ⅱ型糖尿病的癥狀的目的[14]。還有研究者發明了一種Cas9/RecA技術,通過提高CRISPR/Cas9基因編輯技術HDR途徑的效率來治療視網膜色素變性,實驗研究表明,視網膜色素變性實驗小鼠的視力得到了一定程度的修復,該研究為治療由于單基因突變而引起的眼盲提供了新的臨床治療方向[15]。近來,德國學者Theresa Kaeuferle[16],通過CRISPR/Cas9介導敲除了T細胞內的糖皮質激素受體,獲得了抗糖皮質素的病毒特異性T細胞,為正在接受糖皮質激素治療的移植后病毒感染患者提供了治療選擇。2020年4月27日,盧鈾團隊在Nature Medicine雜志上發表了CRISPR基因編輯PD-1細胞治療非小細胞肺癌臨床研究成果,該成果表明靶向PD-1的CRISPR基因編輯T細胞回輸肺癌患者體內用于治療肺癌具有安全性及可行性,該實驗為全球首個CRISPR人體試驗[17]。

3 CRISPR/Cas9基因編輯技術的潛在不足

盡管CRISPR/Cas9基因編輯技術因其簡便、快捷,而被廣泛應用在各領域的研究中,但是該技術仍存在一些不足之處,許多文獻表明脫靶現象是其最主要的問題。CRISPR/Cas9基因編輯系統特異性識別功能決定于sgRNA上的識別序列,然而,當研究者基于這一特性做出基因編輯時,所得的基因編輯產物除對特定的基因識別外,也會同其他與特定基因堿基片段相差不大的DNA片段結合而發生錯配現象,也就是在真核生物復雜的基因組中,經改造的sgRNA的識別序列可能會與不是靶點的DNA序列發生結合,即脫靶現象的發生。為了降低脫靶現象的發生,研究者們廣泛開展了對于Cas9蛋白和sgRNA修飾的研究,修飾后得到的Cas9蛋白和sgRNA能夠增加一定的穩定性[18]。此外,2018年,南方科技大學副教授賀建奎利用CRISPR/Cas9基因編輯技術對嬰兒進行基因編輯,使其成為能夠天然抵抗艾滋病病毒的嬰兒一事一經發生便得到了社會各界譴責,這很明顯會為人類社會的發展帶來很大的威脅,其引發的倫理問題值得我們思考[19]。

4 總結與展望

從近年來針對于CRISPR/Cas9系統的各項研究報道、各類文獻中我們不難發現,該項技術的應用與發展將很有可能幫助人們更深入地了解疾病的發病機制,為靶向治療提供更多的方向。并且在提倡精準醫療、個體化醫療的現今社會中,該技術的發展也能夠更好的推動這類醫療的實施,從而解決臨床治療的一系列難題。相較于傳統基因編輯技術,CRISPR/Cas9基因編輯技術在建立動物模型方面也已經凸顯出很大優勢,該項技術的應用能夠確保疾病動物模型準確省時的建立,為新藥的研發與藥物作用機制的研究提供了極大便利。另外,CRISPR/Cas9基因編輯技術的發展也可以為中藥湯劑的多靶向性作用機制的研究提供更好的方法,并且該技術還可被考慮用于中藥優良品種培育和鑒定、分析、改造方面[20],這不僅給醫藥領域帶來了新的希望,也為人類與疾病的抗爭提供了新的方向。

雖然CRISPR/Cas9基因編輯技術仍然面對著很多挑戰,如脫靶現象的存在以及現實中存在的倫理問題,都提示我們一定要安全規范的使用這一技術并且應該著重于優化該項技術,使其能夠更好的服務于科學研究。