教授程临钊：CRISPR在干细胞领域显示广阔前景

　　自2012年起，一种称作为CRISPR的强大的“基因组编辑”技术便被研究人员用来剪切、破坏、替换或是添加生物体的DNA序列。现在来自约翰霍普金斯大学医学院的科学家们证实，这一系统还可以精确且有效地改变人类干细胞。

　　

生物通报道  自2012年起，一种称作为CRISPR的强大的“基因组编辑”技术便被研究人员用来剪切、破坏、替换或是添加生物体的DNA序列。现在来自约翰霍普金斯大学医学院的科学家们证实，这一系统还可以精确且有效地改变人类干细胞。

在发表于《Molecular Therapy》杂志上的一篇研究报告中，该研究小组表示这些研究成果可以简化及加快改变和定制人类诱导多能干细胞(iPSCs)的研究工作，使得iPSCs能够成为一种疗法或用于开发模式系统来研究疾病或测试药物。

约翰霍普金斯大学医学院医学讲师叶朝晖（Zhaohui Ye，音译）博士说：“干细胞技术正在迅速地发展，我们认为离我们能够将iPSCs用于人类治疗的日子已不会太远。这是第一项研究详细记述了CRISPR在人类iPSCs中的应用，展示了它在这些细胞中的潜能。”

CRISPR源于包含着称作为成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)DNA片段的微生物免疫系统。这一工程编辑系统利用了一种DNA剪切酶和一段短RNA片段，后者可将这一工具引导到研究人员希望在基因组中引入切口或其他改变的位置。

以往的研究表明，相比于其他的基因组编辑技术例如转录激活样效应因子核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, TALEN)，CRISPR能够通过这些干预更有效地引起基因组改变或突变。

尽管CRISPR具有一些优势，近期的一项研究表明它还有可能在人类癌细胞系中引起大量的“脱靶”效应，尤其是改变研究人员并不想触及的一些基因。

为了解这种不良效应是否会发生于其他人类细胞类型中，叶朝晖、约翰霍普金斯大学医学院医学和肿瘤学教授程临钊(Linzhao Cheng)及同事们，在人类iPSCs中比较了CRISPR和TALEN。iPSCs是一种行为像胚胎干细胞的重编程成体细胞，人类iPSCs已在疾病的治疗和研究方面显示出巨大的应用前景（延伸阅读：北京基因组研究所Cell子刊发表干细胞新文章 ）。

研究人员比较了两种基因编辑系统在iPSCs中删除已知基因，或是切除一段基因并以其他基因来替代它的能力。研究人员选择了JAK2、SERPINA1和AAVS1来作为模式基因：当JAK2基因突变时可引起一种称作为真性红细胞增多症的骨髓异常；SERPINA1突变则可引起α1抗胰蛋白酶缺陷——一种可引起肺病和肝病的遗传性疾病；此外，近期的研究发现AAVS1是人类基因组中插入外源基因的一个“安全港”（ safe harbor）。

比较结果发现当只是简单地删除这些基因的某部分时，在所有三个基因系统中CRISPR比TALEN更高效，其诱导的切割高100倍。而当利用这些基因组编辑工具来替换基因的某部分，例如JAK2和SERPINA1基因的致病突变时，CRISPR和TALEN在患者来源的iPSCs中显示出大致相同的效率。

该研究小组说，与人类癌细胞系的结果相反，CRISPR和TALEN在人类iPSCs中具有相同的靶向特异性，只击中设计影响的基因。研究人员还发现相比于TALEN，CRISPR系统具有一个优势：当只有一个拷贝的基因受累时，可以设计它只靶向包含突变的基因，而不影响患者的健康基因。

叶朝晖和程临钊说，这些研究结果结合早些时候发表在权威干细胞期刊《细胞干细胞》(Cell Stem Cell)杂志上的一项相关研究，确证了CRISPR是一种在人类iPSCs中编辑基因的有用工具，且脱靶效应风险极小。

“CRISPR介导的基因组编辑为在生物学相关细胞中实现许多的遗传应用打开了一扇大门，可促使更好地了解人类疾病及其潜在疗法，”程临钊说。

（生物通：何嫱）

作者简介：

程临钊

霍普金斯大学博士，现任美国霍普金斯大学医学院教授。于2012年入选第七批国家“****”。主要研究干细胞生物学、人类胚胎干细胞和其它多能干细胞,、人类iPS细胞与重编程、造血干细胞与造血作用、人类细胞基因打靶、慢病毒载体与逆转录病毒载体,基因表达，调控与监测、细胞治疗与移植, 基因治疗等。

生物通推荐原文摘要：

Efficient and Allele-Specific Genome Editing of Disease Loci in Human iPSCs

Efficient and precise genome editing is crucial for realizing the full research and therapeutic potential of human induced pluripotent stem cells (iPSCs). Engineered nucleases including CRISPR/Cas9 and transcription activator like effector nucleases (TALENs) provide powerful tools for enhancing gene-targeting efficiency. In this study, we investigated the relative efficiencies of CRISPR/Cas9 and TALENs in human iPSC lines for inducing both homologous donor-based precise genome editing and nonhomologous end joining (NHEJ)-mediated gene disruption. Significantly higher frequencies of NHEJ-mediated insertions/deletions were detected at several endogenous loci using CRISPR/Cas9 than using TALENs, especially at nonexpressed targets in iPSCs……