照束光就能切割肿瘤基因?华东师大研发新型光控基因编辑系统
科技

照束光就能切割肿瘤基因?华东师大研发新型光控基因编辑系统

2020年07月11日 11:17:42
来源:澎湃新闻

光也能用作开关,来控制基因编辑,甚至用于肿瘤治疗?

7月11日,澎湃新闻(www.thepaper.cn)从华东师范大学获悉,华东师范大学生命科学学院、华东师范大学医学合成生物学研究中心叶海峰研究员团队成功研发出新型的光控基因编辑系统——分割型split-Cas9(简称FAST系统)。该系统的开关是远红光,其波长730 nm,可由特定的LED光源发出。

7月11日凌晨,相关论文发表在国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)上,论文标题是《一种可用于体内组织器官基因编辑的远红光调控基因编辑系统的构建》(Engineering a far-red light–activated split-Cas9 system for remote-controlled genome editing of internal organs and tumors)。

研究人员介绍,CRISPR-Cas9基因编辑技术作为近年来新兴的第三代基因编辑技术,既保证了良好的打靶效率,又更加简便、快捷、高效,且成本也大大降低,广受科学界瞩目,成为生命科学史上具有里程碑意义的生物技术。然而,CRISPR-Cas9系统在应用时会由于其不可控性产生脱靶效应,带来严重、不可预估的副作用;此外,也无法实现时空特异性的精准基因编辑。

为了解决以上问题,该研究以外部照射低强度的远红光,作为控制手段,能在时间和空间上特异性精准控制体内深层组织和器官的基因编辑。

研究人员在异种移植肿瘤模型小鼠A549中测试了FAST系统的疾病治疗应用潜力。他们将FAST系统递送至小鼠体内的肿瘤中,然后通过LED远红光的照射,切割肿瘤致癌基因PLK1。实验结果显示,肿瘤的生长可被显著抑制。

细胞实验结果显示,在体外培养的多种哺乳动物细胞细胞中,该系统可以诱导单个或多个内源基因的编辑,包括非同源末端连接(NHEJ)和同源定向修复(HDR);黑暗情况下,几乎无本底泄露。

动物实验中,研究人员通过流体动力学尾静脉注射方式,将该系统递送至[Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze,含loxP-STOP-loxP-tdTomato cassette]小鼠的肝脏中。只有当Cas9对loxP-STOP-loxP终止信号区的DNA进行切割编辑后,tdTomato红色荧光蛋白才能表达出来。因此,通过观察小鼠肝脏部位tdTomato的表达情况可以得知肝脏细胞中DNA被编辑的情况。实验结果显示,肝脏器官成像和组织冰冻切片结果显示,与对照组相比,光照组小鼠肝脏中的tdTomato基因有显著的表达。

研究人员表示,上述研究结果表明,该系统具有低本底泄露,低脱靶效应,低毒性,高度时空特异精准性以及强组织穿透性等体内应用优势,提供了一种新型可控的基因编辑工具。

叶海峰研究员表示,该研究作为一个精准、时空可控的基因编辑技术平台,扩展了当前CRISPR-Cas9基因编辑工具箱,有望应用于基因功能的研究,以及遗传病、肿瘤等多种疾病的精准可控治疗。

本研究是在叶海峰课题组近年来的光遗传学研究基础之上进一步取得的研究成果。2017年,该课题组在Science Translational Medicine期刊上发表封面研究文章,使用远红光控制基因的表达,实现智能手机超远程控制光敏细胞释放胰岛素治疗糖尿病的目标,颠覆了传统口服和注射降糖药物控制血糖的方法。2018年,该课题组在美国科学院院刊PNAS上发表研究论文,将远红光调控转基因表达控制系统与CRISPR-dCas9技术相结合,可实现表观遗传操控以及诱导干细胞分化为功能性神经细胞。