CRISPRCas9技術(shù)在疾病治療方面的應(yīng)用

江芝瑤

【摘 要】CRISPR Cas9基因切割技術(shù)是近幾年人們在基因水平研究上的新突破，它能夠通過Cas9核酸酶實現(xiàn)對多個基因的切割，人們利用這個技術(shù)，能系統(tǒng)的了解各基因的功能和作用，并為許多遺傳性疾病提供全新的治療方式。該項技術(shù)主要通過干涉可分化干細胞、基因編輯重編程和修飾基因這三種途徑來預防和治療疾病，目前科學家們在這方面已經(jīng)展開了許多研究，并取得了一定進展，實現(xiàn)臨床治療是CRISPR Cas9基因切割技術(shù)下一步最大的發(fā)展目標，未來該項研究也必定會獲得更為突破性的進展。

【關(guān)鍵詞】CRISPR Cas9技術(shù);疾病;治療

【中圖分類號】R596.2【文獻標識碼】B ? ?【文章編號】1002-8714（2020）07-0123-02

CRISPR Cas9基因切割技術(shù)作為在基因水平上的一項新研究，為現(xiàn)代醫(yī)學領(lǐng)域的許多疾病治療提供了一種全新的途徑。它通過系統(tǒng)內(nèi)的Cas9核酸酶對目標DNA進行切割，從而實現(xiàn)對患病基因的修復。由于CRISPR Cas9技術(shù)允許人們對基因進行高精度修復，因此對該技術(shù)展開深入研究和廣泛應(yīng)用對醫(yī)學界有著重大的影響。

1 CRISPR Cas9基因切割技術(shù)介紹

CRISPR Cas9系統(tǒng)（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）序列系統(tǒng)線性排列在DNA鏈上，該系統(tǒng)對于原核生物來說，可以使自身體內(nèi)的細菌在經(jīng)歷數(shù)次病毒攻擊后自行形成免疫防御系統(tǒng)。

這三個功能區(qū)對于整個系統(tǒng)來說都有不同的作用，CRISPR序列相當于一個基因收集庫，用來編碼用來切割DNA的crRNA，它由多組重復序列組成，其中也包含小部分間區(qū)序列。Cas基因序列種類很多，有1-10等多種不同類型，它用來編碼引導crRNA切割指定DNA鏈的Cas9核酸酶，而tracrRNA就是由CRISPR序列根據(jù)其收集到的細菌信息轉(zhuǎn)錄而來。

CRISPR Cas9技術(shù)的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1977年，當時桑格發(fā)明了基因測序方法，而CRISPR Cas系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)就開始于細菌測序中。1987年，日本大阪大學的實驗工作者在對一種大腸桿菌的堿性磷酸酶同工酶進行測序的過程中，發(fā)現(xiàn)在某段基因編碼序列的終止密碼子后存在一段由簡單重復序列組成的DNA片段，同時在片段兩端還存在一段不太長的特有序列，但由于當時關(guān)于生物的研究發(fā)展仍存在很多不足，學界并未對該現(xiàn)象展開更深入的研究。到了21世紀初，有研究者發(fā)現(xiàn)這種“簡單重復序列”的系統(tǒng)在>40%的細菌中和>90%的古生菌中都有廣泛存在，這種普遍性引起了一些科學家的重視，兩年之后，這套“簡單重復序列”被首次命名為CRISPR。經(jīng)過科學家的不斷深入研究，在2005年發(fā)現(xiàn)這種重復序列來自于噬菌體，并且有人推測這套系統(tǒng)與細菌和古生菌的獲得性免疫有關(guān)，并在2007年第一次證實CRISPR的作用是獲得性免疫。之后，對于CRISPR的研究更加注重各部分的功能和整個過程的形成。比如在2008年，人們發(fā)現(xiàn)Spacers可以轉(zhuǎn)錄形成crRNA起到指導Cas靶向性的作用，并且證實CRISPR的靶點是DNA。一年后，科學家們又發(fā)現(xiàn)了TypeIII-B結(jié)構(gòu)，同時進一步得出CRISPR也能夠?qū)NA進行切割的結(jié)論。在2011年，人們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄形成的tracrRNA和crRNA可以形成二聚體，并與Cas9組成復合體。更為重要的是人們在同一年還證實了CRISPR系統(tǒng)可以用在細菌和古生菌以外的其他物種，這為CRISPR Cas9技術(shù)在人類疾病中的應(yīng)用做了鋪墊。緊接著，科學家們又在體外證實了Cas能夠?qū)NA進行切割，而2013年第一次證實CRISPR可以用于哺乳動物的編輯讓該技術(shù)成功吸引了無數(shù)生物學研究者，同時，研究人員已成功在人類、小鼠、斑馬魚及擬南芥、水稻等物種上實現(xiàn)精確的基因修飾。

通過科學家們不斷地深入研究，目前已知的CRISPR Cas系統(tǒng)主要有3種，分別是Type I、Type II和Type III。進一步根據(jù)cas基因種類分，還可以將Type II類型細分為Type IIA、Type IIB和Type IIC[1]。

2 CRISPR Cas9技術(shù)在疾病治療方面的應(yīng)用以糖尿病治療為例

2.1糖尿病介紹

人體內(nèi)胰島素分泌相對或絕對不足均會導致糖尿病的產(chǎn)生。I型糖尿病為自身免疫性疾病，其從起病之初就伴隨胰島β細胞的凋亡。II型糖尿病最初的表現(xiàn)為胰島素抵抗，其疾病末期也伴隨胰島β細胞的丟失。因此，治療糖尿病最重要的工作就是尋找新胰島β細胞。目前，應(yīng)用CRISPR Cas9技術(shù)，可以實現(xiàn)從干細胞中分化、基因編輯和修飾基因三種途徑來獲取胰島β細胞。

2.2 CRISPR Cas9技術(shù)在糖尿病治療方面的應(yīng)用

① 從干細胞中分化

人胚胎干細胞（hESCs）可以分化成胰島細胞。前兩種細胞也被稱為人多能干細胞，它們在表達特定轉(zhuǎn)錄因子并激活或抑制特定信號通路后，可以定向分化為胰島譜系細胞。在CRISPR Cas9技術(shù)出現(xiàn)以前，人們只能明確少數(shù)幾種轉(zhuǎn)錄因子的功能，而仍有很多重要信息未被發(fā)現(xiàn)，CRISPR Cas9技術(shù)出現(xiàn)之后，人們能夠利用該技術(shù)篩選胰腺發(fā)育時需要的關(guān)鍵因子，并確定其功能，從而推動人胚胎干細胞和人誘導多能干細胞分化成胰島譜系細胞。不僅如此，CRISPR Cas9技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)將單個基因位點與患病癥狀相聯(lián)系，方便醫(yī)生針對癥狀尋找問題。隨著人們對每個物質(zhì)系統(tǒng)的研究，有科研小組通過CRISPR Cas9技術(shù)發(fā)現(xiàn)NEUROG3在人胚胎干細胞分化的過程中起到非常重要的作用;而另一組研究團隊則對8個胰腺轉(zhuǎn)錄因子的作用進行了對照分析，發(fā)現(xiàn)PDX1不足也會影響胰腺內(nèi)分泌發(fā)育;而一些中美科學家們結(jié)合CRISPR Cas9與其他一系列技術(shù)，發(fā)現(xiàn)胰島素不足可來源于CDKAL1、KCNJ11、KCNQ1中的基因突變，同時他們還發(fā)現(xiàn)，T5224這種物質(zhì)可以減少由于CDKAL突變而導致的胰腺β細胞缺失，進而將T5224這種化合物研發(fā)成T5224（AP-1抑制劑）這種化學藥品，從而修復CDKAL1突變引起的胰島β細胞缺失;人們還發(fā)現(xiàn)STAT3 K392R突變也會導致胰島β細胞功能缺失，運用CRISPR Cas9技術(shù)可使突變恢復原來狀態(tài)，防止誘導多能干細胞不正確的分化。在相關(guān)領(lǐng)域，人們已經(jīng)利用小鼠開展了許多嘗試，比如，有研究人員發(fā)現(xiàn)，插入Pax4基因可以使小鼠干細胞產(chǎn)生胰島素;在鼠胰腺被膜下多注射間充斥干細胞也可促進胰島素產(chǎn)生;把基因編輯后的胰高血糖素樣肽1基因在小鼠皮膚細胞中培養(yǎng)，小鼠的體重和血糖水平在4個月的時間里得到了調(diào)節(jié)和控制[1]。

② 基因編輯

在胰腺外分泌細胞、肝臟細胞、肝胰膽管細胞和胃竇細胞可通過基因編輯變?yōu)橐葝u素分泌細胞這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，科學家們可運用CRISPR Cas9技術(shù)在胰島β細胞缺失后人工進行基因編輯，從而防止疾病發(fā)生。目前，人們已經(jīng)篩選出進行基因編輯的轉(zhuǎn)錄因子最佳組合PNM，它包括了Pdx1、Ngn3和MafA三種因子，但將PNM注射入小鼠體內(nèi)后發(fā)現(xiàn)，基因編輯效率只有20%。

③ 修飾基因

運用CRISPR Cas9技術(shù)可以修飾與引發(fā)糖尿病有關(guān)的22種相關(guān)基因，編輯單個基因是該項技術(shù)成功率相對較高的應(yīng)用，但糖尿病屬于多基因遺傳病，因此難度也會相應(yīng)提高。目前，修飾基因仍停留在導入正?；騺韽浹a缺陷基因的水平上。

2.3 展望

雖然CRISPR Cas9技術(shù)的運用為糖尿病治療提供了三種新途徑，但每種方法仍存在一定的問題。利用人體干細胞分化成胰島譜系細胞，很有可能會產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng);而基因編輯的效率與成熟度較低，同時不同的成熟體細胞間表觀遺傳學存在不同，基因編輯無法進入調(diào)控胰島細胞的網(wǎng)絡(luò)，編輯后的細胞仍無臨床治療功能;修飾基因則無法很好保證其安全性，效率也有待提高。針對以上這些問題，研究人員開發(fā)出了一套精確度更高的脫靶效應(yīng)檢測方法——“體內(nèi)非靶點驗證”，或也可嘗試通過對Cas蛋白和sgRNA的改進來降低脫靶發(fā)生;為應(yīng)對PAM序列的限制，人們同樣也對Cas蛋白進行了改造，獲得spCas9-NG這一變體，消除了PAM序列的限制，或也可使用Cas9直系同源酶;為應(yīng)對效率低的問題，可以發(fā)明新的轉(zhuǎn)染方式或是建立更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導細胞系。

3 結(jié)語

CRISPR Cas9基因切割技術(shù)讓人們能夠在基因的水平上對其進行高精度的修改與編輯，這在生物學研究和醫(yī)學上都是巨大的突破。雖然CRISPR Cas9技術(shù)尚未成熟，仍存在如脫靶現(xiàn)象等一系列問題，但研究人員一直致力于解決目前發(fā)現(xiàn)的CRISPR Cas9技術(shù)有可能引發(fā)的問題，并不斷探索該技術(shù)未被發(fā)現(xiàn)的隱患，倘若CRISPR Cas9技術(shù)能進一步發(fā)展，那么它在研究各物質(zhì)作用與功能、治療疾病等方面都將大放異彩，成為人類強有力的研究工具。

參考文獻

[1] 楊佳儒， 郭美華， 柳愛華， et al. CRISPR-Cas9的原理及其應(yīng)用進展[J]. 昆明醫(yī)科大學學報， 2016， 37（5）：118-122.