人类细胞中的基因组是RNA(核糖核酸)编程的，而来自细菌的Cas9酶可以作为基因组工程的发动机
北京时间1月21日消息，一种简便、精确而且廉价的DNA(脱氧核糖核酸)修剪技术将革命性地改变遗传医学的面貌。在目前的遗传疾病治疗中，替换缺陷基因的方法极少，而且都十分昂贵和复杂。新的技术能够将修剪的DNA导入人体细胞，为遗传疾病甚至是艾滋病的治愈带来了希望。
来自加州大学伯克利分校霍华德·休斯医学研究所的珍妮弗·端娜(Jennifer Doudna)和马丁·季聂克(Martin Jinek)，以及瑞典分子感染医学实验室的艾曼纽·夏邦杰(Emmanuelle Charpentier)于去年共同发表了研究成果。在《自然-生物技术》杂志的2012年回顾中，该文章被称为一篇“力作”。
这一评价是基于研究团队在2012年6月28日发表于《科学》杂志上的论文作出的。在论文中，研究者描述了一种精确定位并切割细菌DNA的方法。近期发表在《科学快讯》(Science Express，属《科学》杂志的网上预先出版和报道服务)上的两篇新文章指出，这一技术也能够应用在人体细胞中。珍妮弗·端娜及其团队关于人体细胞中实验成功的研究报告，也将于近日在开放获取期刊《eLife》上发表。
“修饰生物体基因组特定部分的能力，对我们进一步深入理解生物学十分必要，”珍妮弗·端娜说，“然而，在动物和人体中进行这种修饰的技术都遇到了瓶颈，无论是实验研究还是临床治疗的发展。新技术将突破这种瓶颈，因为它意味着任何人都能通过这种基因组的编辑和重组，将基因变化导入哺乳动物的细胞，甚至很有可能导入其他真核生物的细胞中。”珍妮弗·端娜目前是加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学兼化学教授，同时也是哈佛·休斯医学研究所的研究员。
“这无疑将是一个重大突破，”哈佛医学院遗传学教授乔治·丘奇(George Church)在发表于《科学快讯》的文章中写道，“将会有许多人开始应用和练习这一技术，因为它更加容易实施，而且比其他技术精简百倍。”
“从我们收到的反馈来看，这项技术很可能在动物和植物基因组工程研究中带来革命性的改变，”在劳伦斯伯克利国家实验室同样拥有职位的珍妮弗·端娜说，“它很容易进行编码，而且在未来很可能像聚合酶链式反应(PCR)技术一样成功。”PCR技术是生物学研究和遗传医学中的革命性突破，能够轻松地将特定的DNA片段扩增数百万倍，极大推动了生命科学的发展。
“巡航导弹”
不久之前的两项进展，锌指核酸酶(zinc-finger nucleases，ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(Transcription Activator-Like Effector Nucleases，TALEN)都获得了众多关注，并一起被《科学》杂志评为2012年的十大科学突破之一。《科学》杂志中将这两种酶称为“巡航导弹”，因为它们使科学家能定位基因组中的特定部位，并能准确修剪DNA片段。
通过这些技术，研究者可以精确地切割并去除DNA片段，将替换的DNA片段导入细胞，插入到相应的位置。由此，医生可以将存在缺陷或者变异的基因替换为正常的基因拷贝。一家名为Sangamo Biosciences的临床生物制药公司已经开始尝试。在该公司的研究中，感染艾滋病毒的患者在接受了特定基因的替换之后，显示出了抗艾滋病的效果。
锌指核酸酶和TALEN技术都需要合成一种新的基因，用于编码与所修改DNA新位点对应的蛋白质。相比之下，新技术中所用的蛋白质只需要一个小的RNA分子就能编码。在《科学快讯》杂志的文章中，乔治·丘奇将新技术所用的Cas9酶与TALEN做了比较，在向哺乳动物细胞插入基因的过程中，前者比后者的效率要高5倍。
Cas9酶-RNA的复合物比TALEN更容易合成，而且更为小巧，这使它很容易被导入细胞中，甚至可以同时进行数百个基因的剪切。与其他技术相比，该复合物的毒性也更低。“现在谈论这种技术(对TALENs和锌指核酸酶)的胜利还为时过早，”乔治·丘奇说，“但它看起来很有前景。”
基于细菌的免疫系统
珍妮弗·端娜是在研究细菌免疫系统的过程中发现Cas9酶的。在这种酶的帮助下，细菌能够利用剪切DNA片段的方法对抗病毒。病毒的DNA片段被细菌剪切，并接入自身的DNA中，之后细菌合成相应的RNA片段，用于结合病毒并抑制其活性。
数年前，加州大学伯克利分校的地球和行星科学教授吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)将这种病毒防御机制介绍给了珍妮弗·端娜。受其启发，端娜开始专注研究细胞利用RNA的机制。通常情况下，细胞以DNA为模板合成RNA，之后再由RNA合成蛋白质。
珍妮弗·端娜及其团队发现了酶-RNA复合物切割DNA的细节：Cas9酶与两个短链RNA结合形成复合物，之后通过RNA序列与DNA中的特定区域结合。科学家后来简化了该系统，只用一个RNA片段就能定位并剪切细菌DNA的特定区域。“与数十年来其他基因工程中所用的技术相比，新技术的美妙之处在于它只需要一种酶，”端娜说，“这种酶不需要在你想定位的每个位点上都进行改变，你只需要用不同的转录RNA对它重新编码，而这一点很容易设计并实现。”
近期的研究显示，这种细菌防御系统在人体细胞中也同样能成功运作。“从模糊的细菌免疫系统到一项极具潜力的技术，这将改变我们研究和操纵哺乳动物细胞，以及其他类型动植物细胞的方式，”珍妮弗·端娜说，“这代表了基础科学在影响人类健康的重大发现中所扮演的重要角色。”
（责任编辑：实习张淑兰）
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