CRISPR 最新研究进展？

营养师

在未来这将对人类发展产生什么影响？

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长长的路

CRISPR基因编辑技术自2012年作为基因编辑工具被广泛应用以来，已经成为生命科学领域最受瞩目的科学突破之一。这项技术利用向导RNA（sgRNA）引导Cas酶精确定位并切割特定DNA序列，从而实现基因的添加、删除或替换。CRISPR技术以其独特的机制、高效的编辑能力以及广泛的应用前景，在全球范围内受到了研究人员和研究机构的高度关注。本文将概述CRISPR基因编辑技术的最新进展，包括其在不同领域的应用和未来可能的发展方向。
一、医疗领域

1. 神经系统疾病

帕金森病是一种神经退行性疾病。通过编辑胚胎干细胞和患者衍生的干细胞，研究人员正在开发个性化的细胞疗法。通过增强如Persephin（PSP）和胰岛素样生长因子1 （IGF-1）等神经保护蛋白的表达，可以改善多巴胺能神经元的存活率和神经发生。利用CRISPR/Cas9技术，研究人员可构建帕金森病疾病模型，进一步筛选潜在的治疗物质。此外，最新的研究进展显示，CRISPR/Cas9筛选技术在神经干细胞（NSCs）衰老研究中取得了重要发现。研究团队通过体内外筛选实验，发现了葡萄糖转运蛋白GLUT4（由Slc2a4基因编码）在NSCs衰老过程中发挥了关键作用。老年NSCs中GLUT4的表达显著增加，导致葡萄糖摄取能力增强。敲除Slc2a4可以显著提高老年NSCs的激活效率，验证了GLUT4在NSCs衰老中的关键作用[1]。


2. 遗传病治疗

CRISPR/Cas9技术在遗传病治疗领域展现出巨大的潜力。许多遗传病主要由单个基因的突变引起，传统的治疗方法往往难以根治。通过CRISPR/Cas9技术，研究者有望直接纠正致病基因突变，从而达到治疗目的。例如，对于囊性纤维化、亨廷顿症、β-地中海贫血等遗传病，研究者已在动物模型中成功实现了基因矫正，显示出良好的治疗效果[2]，虽然这些治疗仍处于临床前或早期临床阶段。值得一提的是，2023年底，美国FDA批准了首款基于CRISPR的基因编辑疗法Casgevy上市，用于治疗镰状细胞病（SCD）。2024年初，Casgevy被批准用于治疗12岁及以上输血依赖性β-地中海贫血（TDT）[3][4]。
3. 肿瘤学研究

CRISPR/Cas9筛选技术在肿瘤学领域的应用已经取得了显著进展，特别是在识别肿瘤弱点、优化嵌合抗原受体T细胞免疫疗法，以及解释肿瘤免疫逃逸机制方面。通过构建全基因组敲除文库，研究者可以系统地鉴定出驱动癌症发生发展的关键基因。例如，研究者可以通过CRISPR/Cas9技术在肿瘤细胞中进行基因敲除，筛选出对肿瘤生长和转移至关重要的基因。这些基因可以作为潜在的治疗靶点，为开发新型抗癌药物提供重要线索[5]。


4. 抗菌应用

抗细菌药物耐药性对现代医疗系统构成了重大挑战，开发解决这一问题的治疗策略至关重要。CRISPR/Cas系统，作为一种细菌适应性免疫系统，可以选择性地靶向和破坏细菌基因组。研究人员通过将CRISPR/Cas3和CRISPR/Cas9基因组编辑构建体包装成噬菌体，可以实现抗微生物耐药（AMR）基因特异性的细菌杀伤，以预防AMR基因的传播。CRISPR技术还可以用于快速、准确地检测耐药菌株，增强感染控制措施。通过整合基因组学、CRISPR技术和新型疗法，可以开发出更高效的策略来应对AMR危机，保护公共健康[6][7]。
5. 临床应用

2023年10月18日，美国食品药品管理局（FDA）批准了Intellia Therapeutics公司用于治疗转甲状腺素（ATTR）淀粉样变性伴心肌病的NTLA-2001的新药临床试验（IND）申请。NTLA-2001通过脂质纳米颗粒（LNP）递送系统，将靶向TTR基因的CRISPR基因编辑系统传递到肝脏中，特异性敲除TTR基因，从而降低TTR蛋白的表达。在1期临床试验中，NTLA-2001显示出积极的初步结果。接下来，Intellia Therapeutics将开展名为MAGNITUDE的大规模3期研究，以进一步评估NTLA-2001的疗效和安全性。
上海本导基因开展了全球首例CRISPR抗病毒治疗的临床研究，该公司首创的体内基因编辑抗病毒药物BD111的Ⅰ期临床试验已顺利完成首例受试者的给药。BD111注射液利用类病毒体（VLP）技术递送CRISPR基因编辑工具，直接靶向切割1型单纯疱疹病毒（HSV-1）的基因组，从而抑制病毒的复制，甚至可能实现病毒清除。这种新型治疗方法被认为有望根治单纯疱疹病毒型角膜炎，且已获得中国国家药品监督管理局（NMPA）和FDA的新药临床试验批件，并获得FDA孤儿药资格。这是全球首个采用CRISPR体内基因编辑技术治疗病毒性疾病的重要里程碑事件。
辉大基因宣布美国FDA已批准其用于治疗新生血管性年龄相关性黄斑变性（nAMD）的HG202新药临床试验（IND）申请，这是首个临床阶段的CRISPR/Cas13 RNA编辑疗法，也是唯一一个临床阶段的RNA靶向疗法，用于治疗nAMD。相比于传统的RNA干扰技术，Cas13系统具有更高的敲低效率和特异性；与Cas9介导的DNA编辑技术相比，Cas13不会对基因组造成永久性改变，甚至可以通过药物来调控RNA编辑，使其具有可逆性，因此在疾病治疗上具有比较独特的优势。


二、农业生物技术领域

CRISPR/Cas9技术在农业生物技术领域同样具有广阔应用前景，特别是在作物改良、抗病性、抗虫性、耐旱等方面。转座酶辅助靶点整合技术（TATSI）是一种新型植物基因组工程工具，它将水稻的Pong转座酶蛋白与CRISPR相关的可编程核酸酶（如Cas9或Cas12a）结合，能够精准控制基因的插入位点和携带的DNA片段，从而实现高效的基因组编辑。通过基因编辑技术，研究者可以对作物的基因进行精确修改，培育出具有抗病、抗虫、耐旱等优良性状的新品种。例如，研究者已经利用CRISPR/Cas9技术成功培育出抗稻瘟病的水稻品种，显著提高了水稻的产量和品质[8]。
三、合成微生物领域

基因编辑技术能够改变微生物群落的组成和功能，从而在废物管理、药品生产和生物燃料开发等领域实现优化。在生物修复领域，基因编辑技术可以用来设计合成微生物群落，使其能够有效减少水或土壤中的重金属污染。在合成微生物群落的设计中，CRISPR技术被用来精确编辑基因组，构建生物遗传电路，直接影响代谢途径，从而重新设计生物系统并控制它们的行为。例如在大肠杆菌和拟杆菌中针对特定基因（如大肠杆菌中的lacZ和拟杆菌中的BT2086）进行编辑，研究人员成功实现了不干扰整体微生物群落的物种特异性编辑。CRISPR技术显著增强了合成微生物群落的代谢工程策略设计和实施，为生物医学、生物修复和工业领域的创新应用提供了可能[9]。
四、基础生物学研究

CRISPR/Cas9技术在基础生物学研究中的应用也非常广泛，尤其在基因功能研究、发育生物学、代谢、免疫等领域取得了显著进展。通过基因编辑技术，研究者可以精确地敲除或敲入特定基因，研究这些基因在细胞和生物体中的功能。例如，研究者可以利用CRISPR/Cas9技术在模式生物（如小鼠、斑马鱼等）中进行基因功能研究，揭示基因在发育、代谢、免疫等生物学过程中的作用[10]。其中，利用CRISPR技术进行线粒体基因组编辑是一个新兴且充满潜力的领域。研究者们开发了一种名为mito-Cas9的系统，通过在线粒体靶向序列和核编码线粒体基因的3'非翻译区上游和下游添加序列，成功将Cas9蛋白导入线粒体中[11]。然而，将sgRNA导入线粒体是该技术需要攻克的难题。为了提高导入效率，研究者们探索了多种策略，包括使用线粒体靶向序列（MTS）和茎环结构。这些结构可以帮助sgRNA通过病毒载体如AAVs或工程化的病毒样颗粒（eVLPs）被导入线粒体。这些技术的进步为治疗由线粒体DNA突变引发的疾病开辟了新途径。
五、CRISPR技术的发展和未来

CRISPR基因编辑技术发展至今，新兴技术与方法的探索从未停止。
为解决CRISPR/Cas9系统可能引发的脱靶效应问题，研究人员通过蛋白工程技术开发了高保真（Hi-Fi） CRISPR系统。该系统通过改良Cas9蛋白结构显著降低了非目标DNA位点的切割，从而提高了基因编辑的特异性。
2023年，张锋团队在真核生物中发现了一种新型的RNA引导的DNA核酸酶——Fanzor，这是一种具有CRISPR样结构的系统，可以在重编程后实现对人类基因组的编辑。Fanzor系统紧凑，更容易递送到细胞和组织中，且没有旁系切割活性，可实现更精准的基因组编辑[12]。
中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组利用AI技术开发新型碱基编辑工具。该研究创新性地运用AI辅助的大规模蛋白结构预测，建立起全新的基于三级结构的高通量蛋白聚类方法，实现了脱氨酶功能结构的深入挖掘，开发了一系列新型碱基编辑系统，并在动、植物细胞中进行了测试[13]。
基因组编辑中的新兴技术让CRISPR工具箱不断扩展，LNP、VLP等递送工具的开发，以及微型化CRISPR系统的发现，让体内基因编辑快速发展。尽管CRISPR技术在基因编辑领域取得了显著进展，但仍存在一些限制，例如目标位点的选择、sgRNA的设计、Cas系统的活性、DNA修复机制的效率、脱靶活动的频率以及分析方法[14]。此外，用于编辑人类胚胎的CRISPR技术，引发了伦理和监管问题。这些问题尚未得到解决，并且随着技术的发展，这些问题可能会变得更加复杂。不过CRISPR技术如今已经在医学、农业和生物技术领域发挥重要作用，相信在未来这项革命性技术将为人类带来更多的福祉。