CRISPR/Cas9 突變預防系統可以在未來幫助預防和對抗疾病
許多危及生命的疾病是由通用遺傳 DNA 密碼中的一個核苷酸組成部分的變化引起或加劇的。這種“點突變”可以將人體內的單個細胞變成癌細胞並長成腫瘤，或者將對抗生素敏感的細菌變成對抗生素產生耐藥性的細菌，從而導致無法治癒的感染。在一個理想的世界裡，臨床醫生將能夠在細胞被創造出來後立即去除具有這種有害點突變的細胞，從而更有效地對抗疾病。
哈佛大學威斯生物啟發工程研究所的一個研究小組現在在美國國家科學院院刊 (PNAS)上報告說，透過將 CRISPR/Cas9 基因組工程系統轉換為基因組監測工具。由 Wyss 研究所核心教員George Church和James Collins領導的研究人員開發了一種體內突變預防方法，該方法使 DNA 切割 Cas9 酶能夠區分基因組靶位點的單個核苷酸不同，並且只切割不需要的位點。在細菌大腸桿菌中進行的概念驗證研究在培養物或小鼠胃腸道中生長的菌株，該方法可以防止抗生素耐藥變體的存活。
Cas9 酶由具有互補序列的小嚮導 RNA 引導至其基因組靶序列。一旦進入感興趣基因的位置，Cas9 就像一把分子剪刀，在定義的位點切割目標序列。如果修復，這種故意引入的損傷允許生物學家編輯細胞的基因組，但如果不修復，它將導致細胞死亡。然而，儘管該系統能夠有效地在許多生物的基因組中尋找和切割目標序列，但讓 Cas9 在次要、不完全相同的位點隨機切割的非特異性活動仍然給基因組工程師帶來了問題。這也意味著攜帶不需要的點突變的目標序列通常不能被 Cas9 與其正常對應物充分割槽分並選擇性地去除。
“我們現在能夠防止經常發生的導致抗生素耐藥性的突變，並詢問哪些其他基因變化可能導致相同的結果。”— 詹姆斯·柯林斯
“透過專注於引導 RNA 特徵，我們的方法將 Cas9 的特異性顯著提高到可以清楚地區分單核苷酸多型性並消除不需要的遺傳變異的水平，”同時也是哈佛醫學院 (HMS) 遺傳學教授的 Church 說以及哈佛大學和麻省理工學院的健康科學與技術專業。“我們的方法開闢了一種全新的方式來思考未來的疾病預防。”
先前的研究表明，自相矛盾的是，指導 RNA 與其靶序列之間的某些錯配並不影響 Cas9 切割 DNA 中特定位點的能力。“我們假設對於因單點突變而不同的給定目標對，可以在引導 RNA 中鑑定出一組錯配，這將消除 Cas9 在正常序列上的活性，同時在具有有害點突變的序列上保持強大的活性. 該研究的第一作者和共同通訊作者亞歷杭德羅·查韋斯（Alejandro Chavez）說，他是 HMS 的博士後研究員，由 Church 和 Collins 共同指導。現在是哥倫比亞大學的助理教授。
為了開發他們的方法，該團隊利用了細菌酶中發生的已知點突變，為病原體提供了對抗生素的抗性。透過關注這些突變中的幾個並透過具有不同錯配組合的引導 RNA 變體進行篩選，他們能夠識別特定的引導 RNA，這些引導 RNA 能夠刺激 Cas9 對突變基因序列的活性，但不影響正常對應物。
“突變預防系統不僅在標準實驗室條件下培養的大腸桿菌菌株中保持抗生素敏感性，而且在用於定殖小鼠胃腸道的細菌中也保持抗生素敏感性。這些多天的小鼠實驗涉及持續的抗生素給藥，並證明該系統即使受到潛在的重大環境壓力也是穩健的，”共同第一作者、Wyss 研究所前任研究科學家、現任首席研發工程師 Benjamin Pruitt 說。 ReadCoor Inc.
除了未來預防疾病的潛力外，研究人員認為他們的突變預防系統可以更直接地用於幫助生物技術行業保護大規模培養物免受突變導致它們無法生產或容易受到汙染，並研究微生物進化。
“這種策略使我們有機會研究微生物的進化機制。例如，我們現在能夠防止經常發生的導致抗生素耐藥性的突變，並詢問哪些其他基因變化可能導致相同的結果。這可能會提高我們對耐藥機制的理解，並可能提供新的治療切入點，”柯林斯說，他也是麻省理工學院醫學工程與科學的 Termeer 教授，也是那裡的生物工程教授。
威斯研究所所長唐納德·英格伯 (Donald Ingber) 說：“威斯研究所的這項合作努力在 CRISPR/Cas9 領域帶來了一項全新的創新，這可能會帶來預防和治療多種疾病的全新方法。”也是 HMS 的 Judah Folkman 血管生物學教授和波士頓兒童醫院的血管生物學專案，以及哈佛約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的生物工程教授。
該研究的其他作者是威斯研究所的研究人員麗貝卡夏皮羅，她是柯林斯小組的前成員，現在是加拿大圭爾夫大學的助理教授；還有 Marcelle Tuttle、Ryan Cecchi、Jordan Winston、Brian Turczyk 和 Michael Tung，他們是 Church 小組的過去和現在的成員。
該研究由哈佛大學 Wyss 仿生工程研究所、美國國立衛生研究院、國家癌症研究所、Burroughs Wellcome 基金、國防威脅減少機構和 Paul G. Allen Frontiers Group 資助。
