基因編輯可光控！華東師大團(tuán)隊歷時 5 年：解決「脫靶」、抑制腫瘤

本文作者：付靜

2020-07-14 18:32

導(dǎo)語：智能光控遇見“基因剪刀”，會擦出怎樣的火花？

治療癌癥晚期、刪除負(fù)面記憶、阻止視網(wǎng)膜退化、改良農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量......

如果說要實(shí)現(xiàn)上述所有結(jié)果只能用一項黑科技，這項技術(shù)必然是「基因編輯」——對目標(biāo)基因進(jìn)行定點(diǎn)“編輯”的新興基因工程技術(shù)。

有了工具是好事，重要的是如何運(yùn)用，最好是能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的智能控制。

近日，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院就聯(lián)合浙江大學(xué)藥學(xué)院團(tuán)隊，共同設(shè)計出一種新型光控分割型 split-Cas9 基因編輯系統(tǒng)（FAST 系統(tǒng)）。

2020 年 7 月 10 日，該團(tuán)隊題為 Engineering a far-red light–activated split-Cas9 system for remote-controlled genome editing of internal organs and tumors（用于內(nèi)部器官和腫瘤遙控基因編輯的遠(yuǎn)紅光激活 split-Cas9 系統(tǒng)）的論文發(fā)表于《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。

基因編輯可光控！華東師大團(tuán)隊歷時 5 年：解決「脫靶」、抑制腫瘤

基因編輯脫靶怎么辦？

實(shí)際上，將智能光控與“基因剪刀”相結(jié)合，源于基因編輯技術(shù)的潛在缺陷。

雷鋒網(wǎng)了解到，CRISPR-Cas9 技術(shù)的原理主要是通過 Cas9 酶在特定目標(biāo)位點(diǎn)切割 DNA 序列。但在錯誤位置剪切的“脫靶”情況（off-target mutations）也時有發(fā)生。

無疑，這種意外很可能會帶來難以預(yù)控的嚴(yán)重后果，比如基因突變、插入、缺失，甚至致瘤事件。

針對這一問題，此前一些研究團(tuán)隊設(shè)計了應(yīng)對策略。比如：

最近因?qū)W術(shù)抄襲事件備受關(guān)注的中科院神經(jīng)所研究員楊輝領(lǐng)銜開發(fā)了一套脫靶檢測技術(shù)，以便準(zhǔn)確、靈敏地檢測脫靶效應(yīng)，基于此開發(fā)出精度更高、安全性更強(qiáng)的新型基因編輯工具。
中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所聯(lián)合中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、中科院上海營養(yǎng)與健康研究所，根據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測了基因編輯過程中產(chǎn)生脫靶效應(yīng)的重要氨基酸，設(shè)計出了顯著降低基因編輯脫靶效應(yīng)的單堿基編輯工具。

此外，科學(xué)家們還設(shè)計出了多種受化學(xué)物質(zhì)（如多西環(huán)素、甲氧芐啶、4-羥基他莫昔芬等）誘導(dǎo)的 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)。不過，化學(xué)誘導(dǎo)劑具有潛在的細(xì)胞毒性，也就是說，在 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)中引入化學(xué)誘導(dǎo)劑，有時反而會影響細(xì)胞數(shù)目和集落形成。

那么，既然化學(xué)誘導(dǎo)劑存在風(fēng)險，設(shè)計對 Cas9 酶的活動進(jìn)行光學(xué)控制的 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)可行嗎？

不得不說，光是一種可逆、非侵入性的誘導(dǎo)物形式，這也就意味著光的時空分辨率很高。

藍(lán)光、紫外光，都是科學(xué)家們曾經(jīng)嘗試過的誘導(dǎo)物，不過，一個不可忽略的因素便是生物組織對光的吸收和散射特性——紫外光和藍(lán)光都不能深入穿透身體，紫外光幾乎不穿透皮膚，藍(lán)光僅能穿透 1mm。

與此同時，光線長時間暴露還可能引起細(xì)胞毒性。

不難看出，雖然不少科研團(tuán)隊為避免脫靶效應(yīng)做出了努力，但這一方向仍需要進(jìn)一步的探索。

由于遠(yuǎn)紅光（FRL）可穿透皮膚表面以下至少 5mm 的組織，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院與浙江大學(xué)藥學(xué)院團(tuán)隊將研究的切入點(diǎn)放在了遠(yuǎn)紅光光控方面。

基因編輯實(shí)現(xiàn)光控

智能光控遇見“基因剪刀”，會擦出怎樣的火花？

我們來看看這項研究。

據(jù)介紹，該團(tuán)隊設(shè)計的光控分割型 split-Cas9 基因編輯系統(tǒng)（FAST 系統(tǒng)）能夠非侵入性地誘導(dǎo)位于動物組織深處的細(xì)胞中的基因編輯活性。

具體來講，F(xiàn)AST 系統(tǒng)依賴于兩個具有高親和力結(jié)合結(jié)構(gòu)域的分裂-Cas9 融合蛋白，也就是說研究團(tuán)隊將蛋白一分為二了——其一是組成型表達(dá)的，其二則處于該團(tuán)隊建立的細(xì)菌光敏二鳥苷酸環(huán)化酶 Bphs 光學(xué)可控系統(tǒng)的遠(yuǎn)紅光誘導(dǎo)型控制下。

如下圖 A 所示，Cas9 由兩個獨(dú)立的 N 和 C 端 Cas9 片段形成，它們各自缺乏核酸酶活性。當(dāng) Cas9 的兩個片段 Cas9（N）和 Cas9（C）分別與 Coh2 和 DocS 融合時，它們很容易結(jié)合，從而為 Cas9 增加核酸酶活性。

基因編輯可光控！華東師大團(tuán)隊歷時 5 年：解決「脫靶」、抑制腫瘤

既然系統(tǒng)已經(jīng)搭建好了，自然要進(jìn)入測試環(huán)節(jié)了。

雷鋒網(wǎng)了解到，人體中存在著一種所謂的 HEK293 細(xì)胞，這種細(xì)胞又稱為人胚胎腎細(xì)胞 293。

顧名思義，這種細(xì)胞衍生自人胚胎腎細(xì)胞，其具有轉(zhuǎn)染效率高、易于培養(yǎng)等特點(diǎn)，因此已被廣大研究者認(rèn)為是一個研究基因的重要工具。

在這項研究中，該團(tuán)隊最初便是在 HEK293 細(xì)胞中組裝了 FAST系統(tǒng)組件，利用來自發(fā)光二極管的遠(yuǎn)紅光照明，成功激活了靶向基因組編輯。

這之后，研究團(tuán)隊又在多種人類細(xì)胞系中實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)紅光誘導(dǎo)性基因編輯，因此研究團(tuán)隊確認(rèn)：FAST 系統(tǒng)能夠有效激活位于動物皮下組織的細(xì)胞的基因編輯。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊又利用「報告基因檢測法」做了進(jìn)一步研究。

「報告基因」是指：

一類在細(xì)胞、組織/器官或個體處于特定情況下會表達(dá)并使得它們產(chǎn)生易于檢測且實(shí)驗(yàn)材料原本不會產(chǎn)生的性狀的基因。

雷鋒網(wǎng)注意到，科學(xué)家們研發(fā)轉(zhuǎn)基因小鼠或基因嵌入報告基因模式小鼠時經(jīng)常要用到報告基因，而這一研究用到的是 tdTomato——一個信號非常強(qiáng)的熒光蛋白。

基因編輯可光控！華東師大團(tuán)隊歷時 5 年：解決「脫靶」、抑制腫瘤

根據(jù)論文，研究團(tuán)隊用轉(zhuǎn)基因 tdTomato 報告小鼠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對小鼠體細(xì)胞進(jìn)行了遠(yuǎn)紅光誘導(dǎo)的 FAST 系統(tǒng)基因編輯，對異種移植腫瘤小鼠的周期失活癌細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，證明 FAST 可用于對抗腫瘤。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊表示：

FAST 系統(tǒng)具有低本底泄露、低脫靶效應(yīng)、低毒性、高度時空特異精準(zhǔn)性、強(qiáng)組織穿透性等體內(nèi)應(yīng)用優(yōu)勢，提供了一種新型可控的基因編輯工具。

葉海峰團(tuán)隊的 5 年探索

這一研究由華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院葉海峰博士領(lǐng)銜，他也是該論文的通訊作者。

雷鋒網(wǎng)從華東師范大學(xué)官網(wǎng)處了解到，葉海峰博士：

2000-2004 年，于寧波大學(xué)就讀本科；
2004-2007 年，于華東師范大學(xué)就讀碩士；
2007-2012 年，攻讀瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)工程系博士學(xué)位。

當(dāng)前，作為國家重點(diǎn)研發(fā)計劃首席科學(xué)家、國家創(chuàng)新人才推進(jìn)計劃中青年科技領(lǐng)軍人才入選者、國家優(yōu)青獲得者，葉海峰博士在華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院擔(dān)任著研究員、博導(dǎo)的角色。

基因編輯可光控！華東師大團(tuán)隊歷時 5 年：解決「脫靶」、抑制腫瘤

就其研究方向而言，葉海峰博士主要從事合成生物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究。

另據(jù)《科技日報》報道，葉海峰博士及其團(tuán)隊的上述研究成果得來不易，正如葉海峰在接受《科技日報》采訪時所說：

這一研究工作我們持續(xù)推進(jìn)了 5 年，有的關(guān)鍵性問題如果不能解決將耽誤整個研究的進(jìn)展。合成生物學(xué)要在活體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，會有很多無法排查的意外。

過去 5 年，研究團(tuán)隊就是一步一步對各種出現(xiàn)的問題進(jìn)行排查的，而在此期間，葉海峰團(tuán)隊也有重要研究成果發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊。

2018 年 7 月 17 日，葉海峰團(tuán)隊在《國家科學(xué)院學(xué)報》上發(fā)表論文，報道了其設(shè)計組裝的用遠(yuǎn)紅外光操控干細(xì)胞分化的“內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄裝置”。

2019 年 10 月 23 日，葉海峰團(tuán)隊在《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》上發(fā)表論文，報道了利用綠茶的次級代謝產(chǎn)物原兒茶酸（PCA）設(shè)計的可治療糖尿病的轉(zhuǎn)基因表達(dá)控制系統(tǒng)，這一研究成果更是登上了當(dāng)期期刊封面。

基因編輯可光控！華東師大團(tuán)隊歷時 5 年：解決「脫靶」、抑制腫瘤