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Nature子刊用CRISPR系统编辑疟

2018-12-03 15:56:31

Nature子刊:用CRISPR系统疟原虫基因组

生物通报道:恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)是导致疟疾的寄生虫,已被证明对目前的治疗方法产生了耐药性。确定单个基因的功能可能要花费一年的时间,这会不利于新的、更具靶向性的药物和疫苗的开发。

目前,麻省理工学院(MIT)的生物工程师证明,一种新的基因组技术(称为CRISPR),能够在大约一周左右的时间内,以高达100%的成功率,中断一个寄生虫基因。MIT生物工程副教授Jacquin Niles指出,这种方法可以使我们更快速的进行基因分析,并推进新药物的开发。

相关研究结果发表在2014年8月10日的《Nature Methods》杂志,本文作者Niles称:“尽管我们已经测定了恶性疟原虫的全基因组序列,但有一半基因组的功能是未知的。这大约2500个基因,只要我们知道它们的功能,我们就能找到新的治疗方法,无论是药物还是疫苗。”

该论文的作者是MIT生物工程学博士后Jeffrey Wagner。Randall Platt、Stephen Goldfless和MIT麦戈文脑研究所的助理教授张锋(音译,Feng Zhang)也参与了此项研究工作。

恶性疟原虫,由蚊子传播的一种血源性寄生虫,每年引起大约2.19亿份病例和65.5万人死于疟疾。治疗方法包括氯喹和青蒿素,但是寄生虫开始对这些药物产生了耐药性。

因此,迫切需要开发一种新药,但是潜在的遗传靶标很难辨认。在动物中,如小鼠,研究基因功能的常规方法是,通过删除一个靶基因或用一段人工DNA代替它。然而,在恶性疟原虫中,这种做法可能需要长达一年的时间,因为它依赖于同源重组——细胞用以修复受损DNA链的一种遗传交换类型。这很少发生在疟疾寄生虫的基因组中。

Niles说:“你必须依靠这个真正低效率的过程,只有在目的区域内碰巧发生了自发的DNA断裂时,这个过程才会发生。”

利用这种耗时的方法,科学家们得以识别出寄生虫侵入红血细胞所必需的一些基因,以及寄生虫后来从血细胞中爆发所必需的一些基因的功能。近,研究人员已经成功地使用锌指核酸酶来切除特定的基因,但是这种方法非常昂贵,因为需要为每个基因靶标设计一种新的核酸酶。

CRISPR——在过去几年内设计出的一种基因系统,利用一组保护微生物免受病毒感染的细菌蛋白质。该系统包括一个DNA切割酶——Cas9,结合一段短的RNA引导链,该引导链被编程来结合一段特定的基因组序列,告诉Cas9酶切割那里。这种方法可让科学家们通过简单的改变RNA引导链序列,靶定和删除任何一个基因。

当研究人员成功地证实这个系统能在不同于细菌的细胞中运行时,Niles开始考虑使用它来操纵恶性疟原虫。为了测试这种方法,他及其同事尝试使用CRISPR来干扰两个基因——kahrp和eba-175,先前有研究通过传统方法在疟疾中敲除过这两个基因。

Kahrp基因可编码一种蛋白质,当感染疟疾时,该蛋白可引起红血细胞(通常是光滑的)发展出一种多节的外观。Niles的研究小组利用CRISPR系统,能够在100%的寄生虫中中断这个基因;被这些寄生虫感染的红血细胞仍然是光滑的。

eba-175基因编码的蛋白质,可结合红血细胞受体,并有助于寄生虫进入细胞,研究人员用CRISPR系统,在50%到80%的寄生虫中中断了这个基因。Niles说:“我们认为这是一个胜利。相比较过去根据恶性疟原虫遗传学所完成的效率,即使50%都是相当可观的。”

对于这两个靶标,研究人员证明,他们可以插入荧光素酶的编码基因,这种蛋白质会发光,另外他们还关闭了现有的基因。

康奈尔大学微生物和免疫学教授Kirk Deitsch并不是研究小组成员,他说:“利用CRISPR/Cas9系统疟疾寄生虫基因组的一般概念是很重要的,因为我们一直都挣扎于这些遗传学实验的技术方面。现在根据CRISPR,我们可以在更短的时间内、以更高的精度修改基因。”

因为CRISPR技术已经在恶性疟原虫中得以验证,Niles预计,许多科学家将在寄生虫的遗传学研究中采用这项技术。这种工作可以揭示更多关于寄生虫如何侵入红血细胞并在细胞内复制的信息,从而产生新的药物和疫苗靶点。

(生物通:王英)

延伸阅读:厦大学者利用CRISPR/Cas9系统疟原虫基因组

生物通推荐原文摘要:Efficient CRISPR-Cas9–mediated genome editing in Plasmodium falciparumAbstract:Malaria is a major cause of global morbidity and mortality, and new strategies for treating and preventing this disease are needed. Here we show that the Streptococcus pyogenes Cas9 DNA endonuclease and single guide RNAs (sgRNAs) produced using T7 RNA polymerase (T7 RNAP) efficiently edit the Plasmodium falciparum genome. Targeting the genes encoding native knob-associated histidine-rich protein (kahrp) and erythrocyte binding antigen 175 (eba-175), we achieved high (≥50–100%) gene disruption frequencies within the usual time frame for generating transgenic parasites.

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