Science：新技術實現精確基因組編輯

　　麻省理工學院、布洛德研究所以及洛克菲勒大學的研究者開發出了一種新穎的技術，可以通過添加或去除基因來對活細胞的基因組進行修改。研究者表示，這種技術易于操作且成本低，可以用于對產生物燃料的生物將進行基因工程操作，設計用于人類疾病研究的動物模型，開發新的疾病療法，以及其他的潛在應用。

　　為了建立他們的基因組編輯技術，研究者們對細菌通常用來抵御病毒侵入的一系列蛋白質進行了修改。利用這套系統，科學家們可以對基因組上的多個位點進行同時修改，并實現對新基因插入位點的更好的控制。領導這項研究的是MIT的大腦與認知科學助理教授Feng Zhang。

　　他表示：“所有需要對生物體進行基因工程操作以插入新基因，或修改基因組的操作都能受益于這個系統。”

　　這項新的研究成果于1月3號在線發表在Science雜志。

　　早期工作

　　在1980年代，科學家通過在小鼠胚胎細胞中添加一小段DNA而成功建立了第一個遺傳改造的小鼠。這一技術目前廣泛用于建立人類疾病研究用的轉基因小鼠。但是，由于這一技術是將DNA隨機插入在基因組中，因而不能實現對已有基因的替換。

　　近年來，科學家一直在嘗試尋找更加精準的基因組編輯技術。其中一種技術就是同源重組：將一小段包含感興趣基因的DNA片段注入細胞中，基因兩側的序列與基因組中目標基因兩側序列是互相匹配的。但是這種技術的成功率非常低，因為在正常細胞中很少發生自然的重組過程。

　　不久前，生物學家發現，通過添加可剪切DNA的核酸酶可以提高這一過程的效率。鋅指通常用于把這些核酸酶遞送至特定位置，但是由于鋅指不能匹配所有可能的DNA序列，因而其作用也有所限制。此外，對這些蛋白質進行裝配也比較昂貴且費力。

　　轉錄激活因子樣效應物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases，TALEN)也能夠對基因組中的特定位置進行剪切，但是這些復合物也價格昂貴且不易組裝。

　　準確定位

　　Feng Zhang表示，他們研發的新系統非常易于操作。利用自然產生的、可對病毒DNA進行識別剪切的細菌蛋白-RNA系統，研究者建立了DNA編輯復合體，其中包含一個可結合至短RNA序列的核酸酶Cas9。這些短RNA序列可以與基因組中的特定位置進行結合，當遇到匹配序列時，Cas9即對DNA進行剪切。

　　這種技術還可用于破壞基因的功能或對基因進行替換。要實現基因替換，研究者還必須添加一個新基因的DNA模板，從而在DNA被剪切后在基因組中拷貝入新的基因。

　　這套系統中的每一個RNA片段都能靶定特定的序列。“這正是這種技術的美妙之處——你可以輕易編碼一個核酸酶對基因組中的一個或更多的位點進行靶定。” Feng Zhang說。

　　這種技術也非常精確——即使在RNA與基因組序列中存在一個堿基的差異，Cas9也不會被激活。這是鋅指或TALEN技術所不具備的。這種新的系統在效率與價格上也比TALEN更具優勢。

　　威斯康星州醫學院助理教授Aron Geurts評論這個新系統時，稱其“是基因組編輯領域的一個重大進步，甫一亮相即表現出對鋅指核酸酶及TALEN的優勢。在模式系統中，對與人類健康及疾病相關的不斷增加的遺傳變異數據進行解析正需要這類精確的可擴展式基因組編輯。”

　　研究人員將這一技術免費提供給其他的研究者使用，并建立了專門的網站教授使用這一新技術的技巧與工具。(網站地址：www.genome-engineering.org)

　　設計新療法

　　除了上述的基因組編輯功能，這一系統還有其他潛在的應用，例如可以用來設計某些疾病的新療法，如亨廷頓氏癥。亨廷頓氏癥是一種單基因疾病，目前臨床試驗利用鋅指核酸酶來失活相關基因。這一新的技術則可以提供更加有效的選擇。

　　這一系統在治療艾滋病中也將大有用處：利用該系統移除患者的淋巴細胞，并對CCR5受體實施變異(CCR5受體是HIV進入細胞的途徑)。將這些細胞重新植回患者后，這些細胞將具抗感染能力。

　　通過誘導人類干細胞發生特定突變，這一技術也簡化了人類疾病研究。“利用這一基因組編輯系統，你可以非常系統化地引入單個突變，并將干細胞分化為神經細胞或心肌細胞，從而研究這些突變如何改變細胞的生物學特征。” Feng Zhang說。

　　在這項研究中，研究者們還只是在實驗室培養的細胞中對該系統進行了試驗，他們計劃將這一新技術應用于大腦功能及疾病中。