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一种纠正致病突变的新技术

基因编辑,或有目的地改变基因的 DNA 序列,是研究突变如何导致疾病以及为治疗目的改变个体 DNA 的有力工具。麻省理工学院大脑与认知科学教授 James W. (1963) 和 Patricia T. Poitras 教授冯国平领导的团队开发了一种可用于这两种目的的新型基因编辑方法。

“这项技术进步可以加速动物疾病模型的生产,关键是开辟了一种全新的方法来纠正致病突变,”冯说,他也是哈佛和麻省理工学院布罗德研究所的成员,以及麻省理工学院麦戈文脑研究所副所长。新发现在线发表在《细胞》杂志上。

疾病的遗传模型

Feng 实验室的一个主要目标是通过设计携带导致人类这些疾病的基因突变的动物模型,精确定义神经发育和神经精神疾病的问题所在。可以通过向胚胎注射基因编辑工具以及携带所需突变的 DNA 片段来生成新模型。

在一种这样的方法中,基因编辑工具 CRISPR 被编程为切割目标基因,从而激活天然 DNA 机制,用注入的模板 DNA“修复”损坏的基因。然后使用工程细胞产生能够将遗传变化传递给后代的后代,从而形成稳定的遗传线,在其中测试疾病和治疗方法。

尽管 CRISPR 加速了生成此类疾病模型的过程,但该过程仍可能需要数月或数年的时间。效率低下的原因是许多处理过的细胞根本没有发生所需的 DNA 序列变化,变化只发生在两个基因拷贝之一(对于大多数基因,每个细胞包含两个版本,一个来自父亲,一个来自母亲)。

为了提高基因编辑过程的效率,冯实验室团队最初假设,将一种名为 RAD51 的 DNA 修复蛋白添加到 CRISPR 基因编辑工具的标准混合物中会增加细胞(在这种情况下是受精小鼠卵或单细胞胚胎)将经历所需的遗传变化。

作为一个测试案例,他们测量了他们能够在与自闭症相关的基因 Chd2 中插入(“敲入”)突变的比率。正确编辑的胚胎的总体比例保持不变,但令他们惊讶的是,在两条染色体上都进行了所需基因编辑的比例明显更高。使用不同基因进行的测试产生了相同的意外结果。

“同时编辑两条染色体通常非常罕见,”博士后乔纳森·王尔德解释说。“RAD51 的高编辑率确实令人震惊,最初只是尝试制作突变 Chd2 小鼠,但很快变成了一个更大的项目,专注于 RAD51 及其在基因组编辑中的应用,”共同作者 Wilde 说。与研究科学家 Tomomi Aida 的 Cell 论文。

分子复制机

冯实验室团队接下来着手了解 RAD51 增强基因编辑的机制。他们假设 RAD51 参与了一个称为同源间修复 (IHR) 的过程,即使用染色体的第二个副本(来自另一个亲本)作为模板来修复一条染色体上的 DNA 断裂。

为了测试这一点,他们向小鼠胚胎注射了 RAD51 和 CRISPR,但忽略了模板 DNA。他们对 CRISPR 编程,只切割其中一条染色体上的基因序列,然后测试它是否被修复以匹配未切割染色体上的序列。对于这个实验,他们必须使用母本和父本染色体序列不同的小鼠。

他们发现单独注射 CRISPR 的对照胚胎很少显示 IHR 修复。然而,添加 RAD51 显着增加了其中 CRISPR 靶向基因被编辑以匹配未切割染色体的胚胎数量。

“之前对 IHR 的研究发现,它在大多数细胞中的效率非常低,”Wilde 说。“我们发现它更容易在胚胎细胞中发生并且可以通过 RAD51 增强,这表明更深入地了解是什么让胚胎允许这种类型的 DNA 修复可以帮助我们设计更安全、更有效的基因疗法。”

一种纠正致病突变的新方法

依赖于注入纠正性 DNA 片段作为修复突变的模板的标准基因治疗策略涉及一个称为同源定向修复 (HDR) 的过程。

“基于 HDR 的策略仍然存在效率低下的问题,并且存在在整个基因组中不需要整合供体 DNA 的风险,”冯解释说。“IHR 有可能克服这些问题,因为它依赖于自然细胞通路和患者自身的正常染色体来纠正有害突变。”

冯的团队继续确定了其他可以刺激 IHR 的 DNA 修复相关蛋白,其中包括一些不仅可以促进高水平 IHR,而且还能抑制 DNA 修复过程中的错误。允许该团队检查 IHR 事件的基因组特征的其他实验,让我们更深入地了解 IHR 的机制,并提出了使用该技术使基因治疗更安全的方法。

“虽然关于 IHR 的这种新应用还有很多需要了解,但我们的发现是新基因治疗方法的基础,可以帮助解决当前方法的一些大问题,”Aida 说。

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