通过修复有缺陷的基因来治愈疾病

被称为CRISPR的基因组编辑技术允许科学家剪切特定的DNA序列并将其替换为新序列，从而有可能治愈由缺陷基因引起的疾病。然而，为了实现这一潜力，科学家必须找到一种方法来安全地将CRISPR机制和DNA的校正拷贝递送到患病细胞中。

麻省理工学院的研究人员现已开发出一种比以前更有效地提供CRISPR基因组修复组件的方法，他们也相信它可能对人类使用更安全。在对小鼠的一项研究中，他们发现他们可以纠正导致罕见肝脏疾病的突变基因，占6%的肝细胞 -足以治愈这种疾病的老鼠，即所谓的酪氨酸血症。

“这一发现确实令我们兴奋，因为它让我们认为这是一种基因修复系统，可用于治疗一系列疾病 - 不仅仅是酪氨酸血症，还有其他疾病，”麻省理工学院化学工程系副教授Daniel Anderson说。和麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所(IMES)的成员。安德森是2月1日出版的“ 自然生物技术 ” 杂志上一篇论文的高级作者之一。马雪，马萨诸塞大学医学院分子医学助理教授，也是资深作者。该论文的第一作者是科赫研究所的研究科学家郝寅。

查找和替换

CRISPR系统依赖于细菌用于保护自身免受病毒感染的细胞机制。研究人员之前已经利用这个系统来创建基因编辑复合物，该复合物由称为Cas9的DNA切割酶和短RNA组成，该酶将酶引导至基因组的特定区域，指导Cas9在哪里进行切割。

当Cas9和靶向疾病基因的短指导RNA被递送到细胞中时，在基因组中进行特异性切割，并且细胞的DNA修复过程将切割粘合在一起，通常删除一小部分基因组。然而，如果在切割时也传递了基因的校正拷贝，则DNA修复可以导致疾病基因的校正，从而永久地修复基因组。

2014年，Anderson及其同事描述了首次使用CRISPR修复成年动物的疾病基因。在那项研究中，他们能够治愈小鼠的酪氨酸血症。然而，遗传组分的递送需要高压注射，这种方法也可能对肝脏造成一些损害。

“这是使用CRISPR / Cas9在成年动物中进行基因修复的首次证明，”安德森说。“我们对这次演示感到非常兴奋，但我想找到一种方法来开发一种更安全，更有效的修复机械药物形式。”研究人员还希望提高替换缺陷基因的细胞百分比。在之前的研究中，大约每250个肝细胞中就有一个被修复，这足以成功治疗酪氨酸血症。然而，对于许多其他疾病，需要更高百分比的修复来提供治疗效果。

在这项新研究中，Anderson及其同事开发了纳米粒子和病毒传递系统，以提供CRISPR修复机制。首先，他们从脂质和编码Cas9酶的信使RNA(mRNA)中创建了纳米粒子。另外两个组分--RNA引导链和校正基因的DNA - 嵌入基于腺相关病毒(AAV)的重编程病毒颗粒中。

研究人员首先在脂质纳米颗粒前一周注射病毒，让肝细胞有时间开始产生RNA引导链和DNA模板。当注射携带Cas9 mRNA链的纳米颗粒时，细胞开始产生Cas9蛋白，但仅仅几天，因为mRNA最终降解。这足以进行基因修复，但可防止cas9在细胞中徘徊并可能破坏细胞基因组的其他部分。“有一些担心，如果你的细胞长时间存在Cas9，可能会导致一些基因组不稳定，”安德森说。“我们认为使用mRNA纳米粒子可以确保酶长时间不存在，从而提供额外的安全性。”

高精确度

使用这种方法，大约十分之一的细胞具有基因校正，比2014年的研究提高了15倍。研究人员还发现，与Cas9基因整合到细胞基因组中的方法相比，这种方法产生的脱靶DNA切割更少。“我们进行了基因组规模分析，我们的目标效应非常高，但几乎没有脱靶效应，”Yin说。

安德森的实验室开发了类似的脂质纳米粒子，目前正在临床开发中。AAV病毒颗粒正在进行临床试验以用于其他目的，使得研究人员乐观地认为这种CRISPR递送方法可用于人类，尽管需要更多的研究。

研究人员申请了这项技术的专利，他们认为这些专利可用于治疗多种疾病，尤其是肝脏疾病。“有一系列代谢疾病和其他肝脏疾病，如果你修复突变基因，你可能真的能够对人类健康产生影响，”安德森说。“看到我们的团队为CRISPR开发这种新的交付方法真的很令人兴奋，我相信这有可能产生深远影响，”麻省理工学院David H. Koch研究所教授，该论文作者罗伯特兰格说。