人類細胞中的基因組是RNA(核糖核酸)編程的，而來自細菌的Cas9酶可以作爲基因組工程的發動機
北京時間1月21日消息，一種簡便、精確而且廉價的DNA(脫氧核糖核酸)修剪技術將革命性地改變遺傳醫學的面貌。在目前的遺傳疾病治療中，替換缺陷基因的方法極少，而且都十分昂貴和複雜。新的技術能夠將修剪的DNA導入人體細胞，爲遺傳疾病甚至是艾滋病的治癒帶來了希望。
來自加州大學伯克利分校霍華德·休斯醫學研究所的珍妮弗·端娜(Jennifer Doudna)和馬丁·季聶克(Martin Jinek)，以及瑞典分子感染醫學實驗室的艾曼紐·夏邦傑(Emmanuelle Charpentier)於去年共同發表了研究成果。在《自然-生物技術》雜誌的2012年回顧中，該文章被稱爲一篇“力作”。
這一評價是基於研究團隊在2012年6月28日發表於《科學》雜誌上的論文作出的。在論文中，研究者描述了一種精確定位並切割細菌DNA的方法。近期發表在《科學快訊》(Science Express，屬《科學》雜誌的網上預先出版和報道服務)上的兩篇新文章指出，這一技術也能夠應用在人體細胞中。珍妮弗·端娜及其團隊關於人體細胞中實驗成功的研究報告，也將於近日在開放獲取期刊《eLife》上發表。
“修飾生物體基因組特定部分的能力，對我們進一步深入理解生物學十分必要，”珍妮弗·端娜說，“然而，在動物和人體中進行這種修飾的技術都遇到了瓶頸，無論是實驗研究還是臨牀治療的發展。新技術將突破這種瓶頸，因爲它意味着任何人都能通過這種基因組的編輯和重組，將基因變化導入哺乳動物的細胞，甚至很有可能導入其他真核生物的細胞中。”珍妮弗·端娜目前是加州大學伯克利分校的分子和細胞生物學兼化學教授，同時也是哈佛·休斯醫學研究所的研究員。
“這無疑將是一個重大突破，”哈佛醫學院遺傳學教授喬治·丘奇(George Church)在發表於《科學快訊》的文章中寫道，“將會有許多人開始應用和練習這一技術，因爲它更加容易實施，而且比其他技術精簡百倍。”
“從我們收到的反饋來看，這項技術很可能在動物和植物基因組工程研究中帶來革命性的改變，”在勞倫斯伯克利國家實驗室同樣擁有職位的珍妮弗·端娜說，“它很容易進行編碼，而且在未來很可能像聚合酶鏈式反應(PCR)技術一樣成功。”PCR技術是生物學研究和遺傳醫學中的革命性突破，能夠輕鬆地將特定的DNA片段擴增數百萬倍，極大推動了生命科學的發展。
“巡航導彈”
不久之前的兩項進展，鋅指核酸酶(zinc-finger nucleases，ZFNs)和轉錄激活因子樣效應物核酸酶(Transcription Activator-Like Effector Nucleases，TALEN)都獲得了衆多關注，並一起被《科學》雜誌評爲2012年的十大科學突破之一。《科學》雜誌中將這兩種酶稱爲“巡航導彈”，因爲它們使科學家能定位基因組中的特定部位，並能準確修剪DNA片段。
通過這些技術，研究者可以精確地切割並去除DNA片段，將替換的DNA片段導入細胞，插入到相應的位置。由此，醫生可以將存在缺陷或者變異的基因替換爲正常的基因拷貝。一家名爲Sangamo Biosciences的臨牀生物製藥公司已經開始嘗試。在該公司的研究中，感染艾滋病毒的患者在接受了特定基因的替換之後，顯示出了抗艾滋病的效果。
鋅指核酸酶和TALEN技術都需要合成一種新的基因，用於編碼與所修改DNA新位點對應的蛋白質。相比之下，新技術中所用的蛋白質只需要一個小的RNA分子就能編碼。在《科學快訊》雜誌的文章中，喬治·丘奇將新技術所用的Cas9酶與TALEN做了比較，在向哺乳動物細胞插入基因的過程中，前者比後者的效率要高5倍。
Cas9酶-RNA的複合物比TALEN更容易合成，而且更爲小巧，這使它很容易被導入細胞中，甚至可以同時進行數百個基因的剪切。與其他技術相比，該複合物的毒性也更低。“現在談論這種技術(對TALENs和鋅指核酸酶)的勝利還爲時過早，”喬治·丘奇說，“但它看起來很有前景。”
基於細菌的免疫系統
珍妮弗·端娜是在研究細菌免疫系統的過程中發現Cas9酶的。在這種酶的幫助下，細菌能夠利用剪切DNA片段的方法對抗病毒。病毒的DNA片段被細菌剪切，並接入自身的DNA中，之後細菌合成相應的RNA片段，用於結合病毒並抑制其活性。
數年前，加州大學伯克利分校的地球和行星科學教授吉爾·班菲爾德(Jill Banfield)將這種病毒防禦機制介紹給了珍妮弗·端娜。受其啓發，端娜開始專注研究細胞利用RNA的機制。通常情況下，細胞以DNA爲模板合成RNA，之後再由RNA合成蛋白質。
珍妮弗·端娜及其團隊發現了酶-RNA複合物切割DNA的細節：Cas9酶與兩個短鏈RNA結合形成複合物，之後通過RNA序列與DNA中的特定區域結合。科學家後來簡化了該系統，只用一個RNA片段就能定位並剪切細菌DNA的特定區域。“與數十年來其他基因工程中所用的技術相比，新技術的美妙之處在於它只需要一種酶，”端娜說，“這種酶不需要在你想定位的每個位點上都進行改變，你只需要用不同的轉錄RNA對它重新編碼，而這一點很容易設計並實現。”
近期的研究顯示，這種細菌防禦系統在人體細胞中也同樣能成功運作。“從模糊的細菌免疫系統到一項極具潛力的技術，這將改變我們研究和操縱哺乳動物細胞，以及其他類型動植物細胞的方式，”珍妮弗·端娜說，“這代表了基礎科學在影響人類健康的重大發現中所扮演的重要角色。”
