ued赫塔菲官方 1

ued赫塔菲官方 2

ued赫塔菲官方 3

根据美国癌症协会的数据,预计2019年将有11,000人死于急性髓性白血病(AML)。癌症始于骨髓。在那里,突变的基因不能阻止血细胞一次又一次地复制,增加肿瘤。

clockwise from back middle: graduate student Behnam Enghiad, postdoctoral researcher Shangwen Luo, graduate student Tajie Luo and professor Huimin Zhao.

研究人员已经开发出一种方法,可以在小鼠基因组的所有基因中创建一个全面的突变库。该文库可用于检查每种基因在不同细胞类型中的作用。

化学疗法帮助三分之二的患者达到缓解。最近,药物开发人员设计了一种新的攻击方法,旨在针对患者的故障基因,回收其被劫持的细胞,并停止生长。但是这种药物开发会导致试验中出现更多错误,并且可能需要数年时间才能从实验室到患者。

在对抗疾病的过程中,药用武器库中的许多武器已经被细菌本身掠夺了。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,研究人员已经发现了隐藏在这些沉默的基因中更多潜在的财富。

CRISPR技术利用DNA切割酶Cas9,在指导RNA序列的帮助下,发现和修饰遗传靶标。科学家可以使用标准分子生物学技术轻松设计多种新的指导RNA。这使得修改任何物种中任何细胞类型的基因组的方法更加快速有效。

现在,在哈佛大学化学与化学生物学助理教授的自然化学生物学论文发表的一篇论文中,Brian

最近,伊利诺伊大学的研究人员和新加坡科学技术研究机构的同事的一项新研究,使用CRISPR技术,在链霉菌属中开启了未表达的或“沉默的”基因簇,这是一类常见的细菌,它们自然状态下能够产生许多已经用作抗生素、抗癌剂和其他药物的化合物。该研究由化学与生物分子工程教授Huimin Zhao领导,相关结果已在《Nature Chemical Biology》杂志上发表。

研究小组发现,52种引导RNA中的50种成功切割了两种基因拷贝。这些工程化指导RNA的极高成功率似乎在许多细胞类型中是一致的,这使得它们创建了针对小鼠基因组中每个基因的指导RNA文库。

Liau揭示了为什么某些AML药物只能在某些时候起作用。利用他的新技术,Liau和团队揭示了关于药物

身体关系的更多私密细节,并且在此过程中,反驳了先前关于AML药物如何起作用的假设。

药物 - 身体关系

为了测试一种新药,开发人员操纵他们产品的小分子,转移它们以了解这些变化如何影响药物的功效。

为了研究AML药物如何起作用,Liau小组遵循相同的过程。但是,就像一个好的调解人一样,他们也在追逐故事的另一面:如果我们操纵蛋白质目标,他们想知道会发生什么?

ued赫塔菲官方 ,作为化学家,我们几乎可以做任何事情,Liau说。现在,我们拥有了前所未有的能够直接在细胞中系统地改变蛋白质结构的能力。

对于他们的第一次调解,Liau小组专注于AML的特定亚型,其突变的基因导致血细胞的所谓的表观遗传状态的转变。表观遗传变化,其中化学标签落在基因上并打开或关闭它们,是由环境触发因素引起的

  • 你吃什么,运动和睡眠多少,以及你住在哪里,都会影响你的表观基因组。

在AML中,突变基因足以引发表观遗传变化并重新编程细胞以不受控制地生长。由于酶通常调节基因与其宿主细胞之间的对话,新药靶向这些蛋白质,希望能够逆转它们的故障。对于AML,该酶靶标称为LSD1(赖氨酸特异性组蛋白脱甲基酶1)。

到目前为止,LDS1靶向药物有时只起作用。所以,Liau和他的团队决定揭开是什么让这种蛋白质变得如此滑溜。

开发弱点

像自行车一样,蛋白质具有必需和非必需部分(或域)。没有把手,机器一直在移动;没有轮子,它停止。因此,Liau小组搜寻了LSD1的轮子,一旦拆除,它将停止蛋白质和疾病。

为此,该团队使用了一项名为CRISPR扫描的技术。基因编辑工具CRISPR可以精确切割遗传密码(DNA)。因此,Liau小组使用该工具同时在许多AML相关基因中执行系统但随机的切片。

然后,当细胞进入修复切口时,基因组中就会形成微小的疤痕。这些疤痕产生各种突变基因,突变基因产生突变蛋白。一个突变体失去了把手,另一个踏板,最终,一个失去了它的轮子。即使前两种蛋白质丢失了一些部分,它们的癌细胞依然存在。但是最后一个是固定的;增长关闭。

通过他们的系统方法,Liau小组可以分类药物开发人员可以利用哪些LSD1弱点。精心设计的药物可以像齿轮辐条中的鹅卵石一样:阻碍机器的一种小而有效的方法。

BUMPS和HOLES

一些突变可以强化而不是减弱:蛋白质可能会获得一组不受药物影响的新轮子。

为了确定哪些突变可能会阻碍药物疗效,Liau小组研究了药物如何与每种突变体相互作用(一种叫做CRISPR抑制扫描的技术)。一些突变体再次死亡,而其他突变体继续恶性生长。开发人员可以利用这些信息调整他们的药物并破坏蛋白质的新防御。

也许我在药物上添加一些东西,比如让它更大或增加一个凹凸,Liau说。或许我可以在蛋白质上添加一些东西,比如一个洞。如果凹凸孔相互补充,我们可以用这种方法来区分这些信息。

使用CRISPR抑制扫描,他的研究小组探讨了颠簸和空洞如何影响AML突变体LSD1与目前正在开发的治疗癌症的药物之间的关系。他们发现了他的惊讶。

靶向LSD1的药物会关闭蛋白质的酶功能。但是,这种功能并不像以前假设的那样对癌症的发展至关重要。Liau小组发现这些药物最终会切断LSD1与转录因子(GFI1B)之间的通讯。

尽管药物起作用是因为它们(有时)破坏了两种作用,但Liau组的新技术表明LSD1-GFI1B关系对于AML存活是最关键的。他们的发现也可以解释为什么某些AML亚型严重依赖LSD1。有了这些新信息,药物开发人员可以集中精力开展工作,加快药物开发,提供更有针对性的治疗。

接下来,Liau和他的团队计划研究LSD1上更多的肿块和漏洞,这是蛋白质最黑暗的角落,以及其他与癌症相关的蛋白质。根据Liau的说法,之前没有理解或理解为什么某些癌症对LSD1抑制剂敏感。现在,他的技术可以揭示新的和更有效的敏感性,从而导致更有效和更有效的癌症治疗方法。

Zhao说:“在过去,研究人员仅仅是通过从实验室里筛选细菌天然产物的方法来寻找新药。”但是,一旦我们对细菌基因组进行了全面测序,最后我们却只发现了一小部分在基因组中编码的天然产物。由于在实验室条件下,绝大多数生物合成基因簇不表达,或者表达水平非常低,这就是为什么我们称之为沉默基因,所以在这些沉默的基因簇中还有很多新的药物和新知识等待着我们去发现,他们才是真正隐藏的宝藏。”

CRISPR技术正在彻底改变我们研究细胞行为的方式,Wellcome Trust Sanger Institute的第一作者Kosuke Yusa博士说。我们开发了一个完整的库,可供其他研究人员用来研究任何基因的作用。我们可以为任何细胞或任何物种创建这种类型的文库。

为了挖掘未发现的基因组宝库,研究人员首先使用计算工具来识别沉默的生物合成基因簇,涉及到生产化学产物的小分子基因组。然后,他们使用CRISPR技术在每个要激活的基因之前插入一个强启动子序列,促使细胞产生基因簇编码的天然产物。

该团队设计了一个包含近90,000种这些指导RNA的文库,可用于靶向和修饰小鼠基因组中的每个基因,并创建突变干细胞文库。他们将突变体文库用于针对细菌毒素,梭状芽孢杆菌-毒素的遗传筛选,以更好地了解如何发生抗性:该药物对每种细胞类型都有毒性作用。

Zhao说:“这是CRISPR技术较少探索的一个方向,大多数与CRISPR相关的研究都集中在生物医学应用领域,例如治疗遗传性疾病,但我们正在使用它来发现新的药物。我的实验室是第一个适应链霉菌属的CRISPR系统,在过去,在链霉菌属物种中打开或关闭一个特定的基因都是非常困难的,现在通过CRISPR技术可以对几乎任何的基因进行高效靶向操作。”

该研究小组针对26种已知与该细菌毒素受体合成有关的基因。他们发现这些基因中有17个是抵抗力的原因。重要的是,他们还发现了以前未知的基因,这些基因的突变赋予对这种毒性剂的抗性。

该团队成功地激活了一些沉默的生物合成基因簇。因为要寻找候选药物,所以每个产品都需要分离和研究,以确定它们的作用。作为一个示范,研究人员分离并确定了由沉默的生物合成基因簇产生的一种新型化合物的结构,然后发现它与其他来源于链霉菌的衍生药物,是一个外粗内秀的结构,隐藏着潜在的宝藏。

该团队现在将使用该库在癌细胞系中产生突变。癌症药物的一个主要问题是细胞通常可以迅速获得抗性并拒绝治疗。通过筛选通过突变失去所有功能的基因,该团队可以确定哪些基因参与获得对癌症治疗的抗性,从而找到临床目标。

Zhao说:“这些新化合物可能会产生新的药物类别,从而消除抗生素的耐药性或从另一个角度对抗癌症。正如我们所知道的,抗生素的耐药性是一个全球性的挑战,我们希望找到新的物质,新的方式来解决这个问题,所以我们可以发现攻击癌症或病原体的新方法。我们想要确定的是新药物的新型化学支架,而不是修改现有的类型的药物。”

Huimin Zhao团队的新发现少不了研究人员的努力,但CRISPR技术也是给予了这项研究很大的帮助,功不可没。当然他们是通过CRISPR技术来探寻新药,但是CRISPR能做的远不止这些。


CRISPR盘点

近年来,CRISPR毫无疑问是生物学领域最耀眼的一颗明星。《麻省理工管理评论》将该技术评为2014年全球10大突破性技术。华人学者张峰凭CRISPR-Cas9成为MIT终身教授。

CRISPR在多个领域有很多令人振奋的应用,让基因编辑领域迎来了新一轮掘金热潮。

CRISPR在遗传学中的应用

利用CRISPR/Cas9技术治疗杜氏肌肉营养不良:2015年12月,发表在《科学》杂志上的三项研究中,3个独立研究小组利用CRISPR技术删除了杜氏肌肉营养不良症(Duchenne muscular dystrophy,DMD)小鼠中的部分缺陷基因,使小鼠产生了一种必不可少的肌肉蛋白。这是CRISPR首次成功应用到患有遗传病的成年动物中。

利用CRISPR/Cas9技术治疗镰状细胞贫血:2016年11月,斯坦福大学医学院的研究团队利用CRISPR基因编辑技术,在人体干细胞中修复了造成镰状细胞贫血病的基因,这是在研发针对该疾病的基因治疗道路上走出的关键一步。这项最新研究证明了修复后的细胞能生成正常功能的血红蛋白分子,可以在正常红细胞中携带氧气,这些干细胞也可以正常移植回小鼠体内。

CRISPR在免疫学中的应用

利用CRISPR/Cas9技术改变免疫细胞:2016年10月,加州大学旧金山分校、Gladstone研究所的研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,找到了能够增强T淋巴细胞防御HIV病毒入侵的基因突变。他们以CRISPR变体为基础,构建了一个高通量基因编辑平台。借助这一平台,他们可以检测不同的基因突变对免疫系统防御HIV病毒能力的影响值。他们以捐赠的人类免疫细胞为模型,利用这一新体系在体外快速编辑T细胞候选基因,为治愈艾滋病提供可能。

利用CRISPR/Cas9技术发现HIV新靶点: 2016年12月,英国《自然·遗传学》在线发表的一项研究显示,美国科学家使用CRISPR/Cas9基因编辑技术,发现了对人类免疫缺陷病毒感染不可或缺的新型基因,能预防HIV感染,同时还不会影响细胞存活性,这使得它们成为了极具前景的候选药物或基因疗法靶点。

利用CRISPR/Cas9技术构建出更加强效的CAR-T细胞:2017年2月,美国MemorialSloan Kettering Cancer Center的研究人员利用CRISPR/Cas9技术定点构建嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor CAR)T细胞,从而增强小鼠体内的肿瘤抑制效应。这一发现揭示了CAR-T免疫疗法中调控CAR表达的重要性,展示了利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术推动肿瘤免疫疗法的潜力。

CRISPR在癌症研究与疗法开发中的应用

利用CRISPR系统筛选癌症药物靶向目标:2015年5月,来自美国冷泉港实验室的研究人员应用CRISPR-CAS9技术靶向编码蛋白功能性结构域的外显子对癌症药物作用靶点进行大规模筛选,通过对小鼠急性髓系白血病细胞的192个染色质调节性区域的筛选,发现了6个已知的药物靶点和19个潜在药物靶点。

利用CRISPR/Cas9技术进行异种器官移植研究:2015年10月,美国哈佛大学和生物技术公司eGenesis研究人员利用一种新的基因编辑技术,敲除了猪基因组中可能有害的病毒基因,从而扫清了猪器官用于人体移植的重大难关。哈佛大学和eGenesis异种器官移植课题带头人杨璐菡向世界宣布他们已在猪肾脏上皮细胞中整合入了CRISPR-Cas9系统。它能不断产生Cas9蛋白,并破坏基因组内的所有内源性逆转录病毒基因。

利用CRISPR/Cas9技术使癌症突变失活:2016年8月,研究者对超过50万个报道的癌症突变进行分析,这些突变从理论上来讲能够被靶向作用,并且超过80%的突变都可以被CRISPR/Cas9系统进行切割修饰;随后研究者人员发现CRISPR/Cas9可以在不明显靶向作用健康野生型等位基因的同时,对一系列常见的癌症突变进行特异性靶向作用;此外,携带癌症特异性引导RNAs的Cas9酶类的表达还能够揭开引发癌细胞生长和变异的突变。

利用CRISPR/Cas9技术鉴定出AML白血病细胞的弱点:2016年9月,来自英国剑桥大学韦尔科姆基金会桑格研究所的研究人员和他们的合作者对一种CRISPR基因编辑技术进行改进,并利用它发现急性髓性白血病的新的治疗靶标。他们鉴定出大量基因可能作为抗AML疗法的潜在靶标,并且描述了抑制这些基因中的一种,即KAT2A,如何破坏AML细胞,同时不会伤害非白血病血细胞。

利用CRISPR-Cas9进行全基因组筛选找到胰腺肿瘤弱点:2016年11月,来自加拿大多伦多大学的研究人员在RNF43突变的胰腺导管腺癌细胞中进行了全基因组范围的CRISPR-Cas9筛选,并找到了可以用于治疗该类型癌症的潜在抗体药物。

鉴于CRISPR广泛的应用前景,相信由它带来的一场巨大变革即将到来。