研究人员开发新方法纠正致病基因突变 让基因治疗更安全

顶尖学术期刊《细胞》近日在线发表了一篇重要论文，由麻省理工学院（MIT）McGovern大脑研究所讲席教授、美国人文与科学院院士冯国平教授领衔的研究团队，意外发现一种分子可以极大增加CRISPR基因编辑工具的效率，在此基础上开发了一种新的基因编辑技术，可用于研究和改变致病基因突变。

“这一技术进步能够用于加速建立动物疾病模型，更重要的是，开辟了一种全新的方法来纠正致病突变。”冯国平教授评论。

冯国平教授团队致力于研究神经发育和精神疾病的发生机制，为此他们创建了多种动物模型，把导致人类疾病的基因突变导入动物体内，并使得基因突变可以继续传给下一代。

基因编辑工具CRISPR的应用为这类动物疾病模型的创建带来了很大帮助。一种方法是向小鼠胚胎注射基因编辑工具以及携带了特定突变的DNA片段。CRISPR可以靶向目标基因的特定序列进行剪切，然后用注入的DNA片段“修复”断裂的DNA链。

然而，研究人员指出，利用这种方法构建疾病模型仍然可能需要好几个月甚至几年时间，造成效率低下的原因是，许多处理过的细胞根本没有发生研究人员想要的DNA序列变化，变化只发生在两个基因拷贝中的其中一个。但对于大多数基因来说，一个细胞里包含了分别来自母亲和父亲的两个基因拷贝。

为了提高基因编辑过程的效率，在这项研究中，冯国平教授团队起初设想了在标准的CRISPR基因编辑工具中添加一种DNA修复蛋白RAD51，以便让目标细胞——小鼠的受精卵如愿产生想要的基因变化。

研究人员针对自闭症相关基因Chd2进行了测试，将一个点突变插入该基因。结果令人惊讶：被正确编辑的胚胎在总体比例上保持不变，但其中两条染色体上都进行了所需基因编辑的比例明显提高，甚至可达到100%。后续在其他基因上进行的测试产生了相同的结果。

“通常来说，同时编辑两条染色体非常罕见，”这项研究的第一作者Jonathan Wilde博士解释说，“加入RAD51后的编辑比例之高令人震惊。”

于是，研究团队转而专注于研究RAD51在基因编辑中的作用。他们经过巧妙的实验验证，发现RAD51之所以能够增强基因编辑，与一种被称为“同源间修复”（IHR，interhomolog repair）的DNA修复过程有关，指的是一对染色体中，一条染色体会以另一条染色体为模板，来修复断裂的DNA。相比之下，目前标准的基因治疗策略通常依赖于同源定向修复（HDR，homology-directed repair），也就是把注入的外源DNA片段作为修复模板。

▲研究示意图：添加RAD51显著增加了同源间修复的比例（图片来源：参考资料[1]）

“先前关于IHR的研究显示，大多数细胞中的IHR效率是非常低的，”Wilde博士说，“我们发现，IHR可以在胚胎细胞中更稳定地发生，并且被RAD51增强。这意味着，随着更加深入地理解哪些因素让胚胎允许这种类型的DNA修复，我们可以设计出更安全、更有效的基因疗法。”

“基于HDR的策略仍然存在效率低的问题，并且还有在整个基因组中发生不必要的整合外来DNA的风险，”冯教授补充说，“而IHR有潜力克服这些问题，因为它依赖天然的细胞通路和患者自身的正常染色体来纠正有害突变。”

这支研究团队后续还在寻找其他可以刺激IHR的DNA修复相关蛋白，深入了解IHR机制，最终应用该技术开发出让基因治疗更安全的方法。

参考资料：

[1] Jonathan J. Wilde et al., (2021) Efficient embryonic homozygous gene conversion via RAD51-enhanced interhomolog repair. Cell DOI：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.035

[2] McGovern lab develops new technique for correcting disease-causing mutations. Retrieved June 1, 2021 from https://mcgovern.mit.edu/2021/05/26/mcgovern-lab-develops-new-technique-for-correcting-disease-causing-mutations/