CRISPR技术：开启遗传疾病治疗的新篇章

悉尼新南威尔士大学开发的新一代CRISPR技术为治疗镰状细胞等遗传疾病提供了一条更安全的治疗方法，同时毫无疑问地表明DNA上的化学标签——通常被认为只是遗传的杂物——实际上会主动沉默基因。

几十年来，科学家们一直在争论甲基团——在DNA上积累的小化学簇——是否仅仅是基因关闭时在基因组中积累的无用物质，还是基因抑制的实际原因。

但现在，悉尼新南威尔士大学的研究人员与美国圣犹达儿童研究医院（孟菲斯）的同事合作，在最近发表在《自然通讯》上的一篇论文中，展示了去掉这些标签可以让基因重新活跃，确认甲基化不仅与基因沉默有关，而且直接导致基因沉默。

研究的主要作者、悉尼新南威尔士大学学术质量副校长梅林·克罗斯利教授说：“我们清楚地证明，如果把杂物清理掉，基因就会恢复活性。”

他说：“当我们把甲基团重新加回基因时，基因又关闭了。所以，这些化合物不是杂物——它们是锚。”

CRISPR的简史

CRISPR——也称为成簇规律间隔短回文重复——构成了基因编辑技术的基础，使科学家能够找到并更改有缺陷的DNA片段，通常是通过用健康的片段替换它们。

它利用了已经存在的自然过程，最早在细菌抵御入侵病毒时被观察到，通过“剪切”病毒的DNA链。

第一代CRISPR实验室工具就是这样工作的，通过切割DNA序列来禁用有缺陷的基因。第二代工具则允许研究人员放大并纠正基因序列中的单个字母。但这两种方法都涉及对基因序列的切割，这可能会带来导致其他健康问题的意外变化风险。

但第三代——称为表观遗传编辑——关注的是每个细胞核里基因的表面。该方法不是切割DNA链以去除或编辑有缺陷的基因，而是去除附着在沉默或抑制基因上的甲基基团。

镰状细胞疾病

研究人员表示，表观遗传编辑可以用于治疗受镰状细胞疾病影响的人，这些疾病是改变红细胞形状和功能的遗传突变，导致慢性疼痛、器官损伤和寿命缩短。

“每次切割DNA时，都有可能增加癌症的风险。如果你正在进行针对终身疾病的基因治疗，那就是一种糟糕的风险，”克罗斯利教授说。

“但如果我们可以进行不涉及切割DNA链的基因治疗，那么我们就能避免这些潜在的风险。”

新方法不再切割，而是使用改良的CRISPR系统传递去甲基化酶，从DNA中去除甲基基团，有效解除沉默基因的抑制。胎儿球蛋白基因在为子宫内发育中的胎儿输送富氧血液方面发挥着至关重要的作用，研究人员表示，出生后重新激活它可能为导致镰状细胞病的有缺陷成人球蛋白基因提供一个巧妙的解决办法。

“你可以把胎儿球蛋白基因想象成小孩自行车上的辅助轮，”克罗斯利教授说。“我们相信我们可以让它们在需要新轮子的人的身上重新工作。”

全局视角

到目前为止，所有相关的研究工作都在UNSW和孟菲斯的人类细胞实验室进行。

研究共同作者凯特·昆兰教授表示，这一发现不仅对镰状细胞病患者充满希望，也对其他遗传疾病有帮助，通过改变甲基基团来开启或关闭某些基因，避免了对DNA链的切割。

“我们对表观遗传编辑的未来感到兴奋，因为我们的研究表明，这使我们能够在不修改DNA序列的情况下增强基因表达。基于这一技术的疗法相比第一代或第二代CRISPR，可能会降低意外负面影响的风险，”她说。

几年后——一旦动物测试和临床试验完成——医生们将使用新方法治疗镰状细胞病，首先收集患者的血液干细胞，这些细胞会生成新的红血球。在实验室中，他们将使用表观遗传编辑去除胎儿球蛋白基因上的甲基化学标签，以使其重新激活。然后，编辑过的细胞将被返回给患者，重新回到骨髓中，开始产生功能更好的血细胞。

前方的道路

接下来，来自新南威尔士大学和圣犹大医院的研究人员将测试这些方法在动物模型中的效果，同时也会尝试更多与CRISPR相关的工具。

“也许最重要的是，现在可以将分子精准靶向到单个基因，”克罗斯利教授说。

“在这里，我们去掉或添加了甲基基团，但这只是个开始。还有其他变化可以进行，这将提升我们在治疗和农业方面改变基因输出的能力。这标志着一个新时代的开始。”