重磅盘点!2017年魔剪CRISPR突破成果TOP25(11篇Nature、9篇Cell……)

医疗器械 来源:生物探索(微信号 biodiscover) 作者:Chen 0评论

短短几年的时间,CRISPR已成为风靡科研圈的基因编辑工具。这一被誉为“世纪发现”的魔剪革新了生物医学研究,并为基因疾病以及其它疾病的治疗带来了新的希望。本专题为大家盘点2017年已发表的CRISPR重要成果TOP25,其中包括11篇Nature、9篇Cell以及4篇Science。


CRISPR/Cas系统原本是细菌用来保护自身免受噬菌体感染的适应性免疫系统。2012年8月,加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授与现任Max Planck研究所感染生物学部主任的Emmanuelle Charpentier教授在Science杂志上发表了一篇题为“A Programmable Dual-RNA–Guided DNAEndonuclease in Adaptive Bacterial Immunity”的重要成果,首次揭示了CRISPR/Cas这一天然免疫系统的基因组编辑功能。

半年后,Broad研究所的张锋教授带领的研究小组在Science杂志上发表了另一篇题为“Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems”的论文,首次证实了CRISPR技术能够编辑人类细胞的基因组。这两篇关键的论文开启了CRISPR技术在生命科学领域的风靡生涯。

在刚刚过去的8月,CRISPR领域再次迎来发文热潮。来自全球各国的科学家们利用这一基因编辑神器在CNS等杂志上发表了数篇重要成果,包括首次利用CRISPR成功实现单基因遗传病的突变基因安全修复、找到癌症免疫疗法的必需基因、解决猪器官异种移植关键难题、首次揭秘“环状RNA”与大脑功能有关等等。

这一被誉为“世纪发现”的基因编辑工具革新了生物医学研究,并为基因疾病以及其它疾病的治疗带来了新的希望。本专题为大家盘点2017年已发表的魔剪CRISPR重要成果TOP25,其中包括11篇Nature、9篇Cell以及4篇Science。

疾病相关

1# Cell:利用CRISPR绘制癌细胞必要基因图谱


2月2日,发表在Cell杂志上题为“GeneEssentiality Profiling Reveals Gene Networks and Synthetic Lethal Interactionswith Oncogenic Ras”的研究中,科学家们利用CRISPR技术在急性髓系白血病细胞系中发现了致癌基因Ras的合成致死伙伴基因,成功鉴定出了癌细胞增殖和生存的必要基因图谱。【详细】

2# Nature发布癌症免疫疗法突破成果:用CRISPR构建更有效的CAR-T细胞


2月22日,发表在Nature杂志上题为“Targetinga CAR to the TRAC locus with CRISPR/Cas9 enhances tumour rejection”的研究中,来自纪念斯隆—凯特琳癌症中心的研究人员利用CRISPR-Cas9技术构建了更有效的CAR-T细胞,并在小鼠中增强了肿瘤抑制作用。

3# Nature:“魔剪”CRISPR为白血病找到“新药”


3月1日,发表在Nature杂志上题为“ENLlinks histone acetylation to oncogenic gene expression in acute myeloidleukaemia”的研究中,借助CRISPR技术,来自MD安德森癌症中心的科学家们发现了一种称为ENL的蛋白质在白血病进程中的重要作用,并指出利用BET抑制剂这类实验药物有可能有效治疗急性髓性白血病。

4# Nature:借助CRISPR,让癌症免疫疗法“更有效”


7月19日,发表在Nature杂志上题为“In vivoCRISPR screening identifies Ptpn2 as a cancer immunotherapy target”的论文描述了科学家借助CRISPR-Cas9开发了一种新的筛选方法,可用于检测小鼠中数以千计肿瘤基因的功能。利用这一筛选方法,研究小组找到了一个有望增强PD-1检查点抑制剂有效性的新药物靶点——Ptpn2。

5# Nature:首次!利用CRISPR成功实现单基因遗传病的突变基因安全修复


8月2日,发表在Nature杂志上题为“Correctionof a pathogenic gene mutation in human embryos”的研究中,在中国、美国、韩国的国际合作组的通力协作下,科学家第一次成功地利用CRISPR-Cas9系统在人类早期胚胎中对导致肥厚型心肌病的基因突变进行了安全修复。【详细】

6# Nature:CRISPR逐个筛查基因组找到癌症免疫治疗必需基因


8月7日,发表在Nature杂志上题为“Identificationof essential genes for cancer immunotherapy”的研究中,科学家们借助CRISPR技术确定了癌细胞中免疫治疗起作用所必需的基因,解决了为什么一些肿瘤对免疫治疗没有反应或最初有反应,但随着肿瘤细胞对免疫疗法出现抗性而停止反应的问题。【详细】

7# Cell:新型CRISPR纠正导致微卫星重复扩增疾病的分子错误


8月10日,发表在Cell杂志上题为“Eliminationof Toxic Microsatellite Repeat Expansion RNA by RNA-Targeting Cas9”的研究中,来自加州大学圣地亚哥分校的科学家们证实,在实验室模型和来源于人类的细胞中,一种新版本的CRISPR-Cas9技术纠正了导致微卫星重复扩增疾病的分子错误。这类疾病包括某些类型的肌肉营养不良症、肌萎缩侧索硬化和亨丁顿舞蹈症。

8# Science突破成果:CRISPR编辑猪,突破异种移植难题


8月10日,美国eGenesis公司首席科学家杨璐菡、哈佛医学院遗传学大牛George Church联合浙江大学、云南农业大学、重庆第三军医大学及其它科研机构的科学家们共同在Science杂志发表了重要研究成果(论文:Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs usingCRISPR-Cas9)。他们利用CRISPR技术解决了猪器官异种移植的一个关键难题,收获世界首批内源性逆转录病毒基因失活的幼猪。【详细】

附:CRISPR在疾病治疗方面的研究成果非常多,除了上述发表在CNS主刊上的部分成果,科学家们还在乙肝、失明、HIV、关节炎、帕金森等领域取得了新的进展。以下用表格的形式为大家再推荐10项成果:

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特色应用

9# Science:张锋新成果! CRISPR又出新功能,用于核酸检测


4月13日,Science杂志发表一项题为“Nucleicacid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2”的重要研究进展。来自Broad研究所、McGovern研究所等机构的一个科学家小组改造了靶向RNA的CRISPR系统,使其成为了快速、便宜且高度灵敏的诊断工具。这一发现有望为科学研究以及全球公共卫生带来变革性的影响。张锋教授以及Broad研究所的James J. Collins是该研究的共同通讯作者。【详细】

10# Cell:CRISPR让番茄像葡萄一样“硕果累累”


5月18日,发表在Cell杂志上题为“BypassingNegative Epistasis on Yield in Tomato Imposed by a Domestication Gene”的研究中,来自冷泉港实验室的科学家们利用CRISPR让番茄像葡萄一样“硕果累累”。【详细】

11# Nature:首次!“小电影”被科学家刻进了活细菌的DNA


GeorgeM.Church教授

7月12日,发表在Nature杂志上题为“CRISPR–Cas encodingof a digital movie into the genomes of a population of living bacteria”的研究中,GeorgeM.Church教授团队利用CRISPR系统将埃德沃德·迈布里奇(Eadweard J. Muybridge)的《人类和动物的运动》中收录的图片和一部视频短片(gif 图)编码进了细菌的DNA中。【详细】

12# Science: CRISPR首次揭秘“环状RNA”与大脑功能有关


近年来,环状RNA越来越受到科学界的关注,但它们在活体内的功能一直是一个谜。8月10日,发表在Science杂志上题为“Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation andaffects brain function”的研究报道了一种称为Cdr1as的环状RNA能够调节哺乳动物大脑中的microRNA水平。删除Cdr1as会导致小鼠出现异常的神经元活动和行为障碍。【详细】

13# Cell封面成果:魔剪CRISPR改变蚁群种系


8月10日,发表在Cell杂志上题为“orco MutagenesisCauses Loss of Antennal Lobe Glomeruli and Impaired Social Behavior in Ants”的研究中,两个独立的研究组报告称,他们使用CRISPR处理了蚂蚁卵,从而改变了整个蚁群的种系。

14# Nature:张锋等利用CRISPR鉴定出关键的lncRNA


8月11日,发表在Nature杂志上题为“Genome-scaleactivation screen identifies a lncRNA locus regulating a gene neighbourhood”的研究中,科学家们开发了一种基因组规模的CRISPR–Cas9激活筛选(CRISPR–Cas9 activation screen),能够靶向超过10,000个lncRNA转录起始点,以识别影响表型的非编码位点。张锋和Broad研究所的主席兼主任Eric S. Lander教授是这篇论文的共同通讯作者。利用这种筛选方法,研究人员找到了11个lncRNA位点,通过招募激活剂(recruitment of an activator),在人类黑色素瘤细胞中调节对BRAF抑制剂的耐药性。【详细】

15# 中美学者合作发表Cell:改造CRISPR系统用其捕捉基因组调控区


8月24日,发表在Cell杂志上题为“In SituCapture of Chromatin Interactions by Biotinylated dCas9”的研究中,美国德克萨斯西南医学中心的徐剑课题组和复旦大学生物医学研究院周峰课题组用改造过的CRISPR共同开发出一种创新的系统,用来分离和鉴定人类基因组中DNA调控序列。【详细】

机制揭秘

16# Nature:CRISPR究竟是如何工作的?


3月29日,来自洛克菲勒大学的3位科学家在Nature杂志发表了一篇题为“CRISPR–Cas systemsexploit viral DNA injection to establish and maintain adaptive immunity”的论文。这一研究成果回答了一个存在已久的问题,即CRISPR究竟是如何工作的。【详细】

17# Nature:从结构上揭示CRISPR-Cpf1的DNA靶向机制


2015年9月,张锋研究组在Cell杂志上发表的一篇论文中首次提出了新型基因编辑系统CRISPR/Cpf1。此后,关于CRISPR/Cpf1的研究成果层出不穷,其中包括了对其结构的解析和应用的探索。2017年5月30日发表在Nature杂志上题为“Structure of the Cpf1 endonuclease R-loop complex after target DNAcleavage”的这篇论文揭示了Cpf1是如何让DNA解链,并对它进行切割的。

18# Nature:惊人发现!揭秘CRISPR“前所未有”的防御机制


7月19日,发表于Nature杂志上题为“TypeIII CRISPR–Cas systems produce cyclic oligoadenylate second messengers”的研究中,来自瑞士苏黎世大学等机构的科学家小组发现了细菌抵御入侵病毒的一种前所未有的防御机制。

在CRISPR-Cas系统的一个亚型中(Type III CRISPR–Cas),研究人员有了一个惊人的发现。当CRISPR识别入侵者后,它合成了一个“第二信使”(second messenger):一个小的、环状RNA分子。这一信号分子能够在细菌细胞中扩散,激活另一种RNA降解酶Csm6。Csm6然后帮助摧毁病毒的RNA。【详细】

19# Science:女神团队揭秘CRISPR蛋白如何找到目标


JenniferDoudna教授

Jennifer Doudna教授团队7月20日在Science杂志发表的这篇题为“Structuresof the CRISPR genome integration complex”的研究揭秘了CRISPR蛋白是如何找到它们的目标的。

具体来说,研究发现了Cas1-Cas2(与细菌中CRISPR免疫系统能力有关的蛋白质)是如何适应新的病毒感染,并鉴定出了它们在基因组中插入病毒DNA的位置。研究证实,Cas1-Cas2对插入位点的识别并不是依赖序列,而是依赖结构。【详细】

20# 2篇Cell:中科院王艳丽课题组课题组解析RNA靶向CRISPR系统


王艳丽研究员(图片来源:中科院生物物理所官网)

1月12日,Cell 杂志发表了中科院生物物理研究所王艳丽课题组关于Ⅵ型CRISPR-Cas系统的效应蛋白C2c2的结构研究(论文:Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNaseActivities)。C2c2(现在被称为 Cas13a)最早由张锋团队在2016年的一篇Science中提出:论文首次描述了这一RNA靶向的CRISPR酶。

王艳丽课题组在这篇Cell论文中解析了Leptotrichia shahii(Lsh)细菌中C2c2与crRNA (CRISPR-RNA) 的二元复合物以及C2c2在自由状态下的晶体结构,揭示了LshC2c2通过两个独立的活性结构域来发挥其两种不同的RNA酶切活性。

7月27日,王艳丽课题组与中科院生物物理所章新政课题组合作发表了另一篇关于Cas13a的论文(题目:The Molecular Architecture for RNA-Guided RNA Cleavage by Cas13a)。为了理解Cas13a是如何被激活来切割RNA的,研究人员解析了Leptotrichiabuccalis(Lbu)中Cas13a结合crRNA和其目标RNA的晶体结构,以及LbuCas13a-crRNA复合物的冷冻电镜结构。

研究发现,与目标RNA结合后,Cas13a蛋白和crRNA出现了显著的构象变化。Guide-targetRNA duplex的形成触发了HEPN1域向HEPN2域移动,激活了Cas13a蛋白的HEPN催化部分(catalytic site)。随后,Cas13a以一种非特异性的方式进行目标RNA的切割。这些发现揭示了Cas13a是如何预防RNA噬菌体的,并为其作为一种RNA操纵工具的发展奠定了基础。【详细】

关闭开关

21# Cell:CRISPR“关闭开关”如何起作用


继2016年年底Cell杂志的两篇论文提出CRISPR“关闭开关”(anti-CRISPR,inhibitor of CRISPR-Cas9)后,这篇于2017年3月23日发表在Cell杂志上论文(题目:StructureReveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-GuidedSurveillance Complex)首次解决了病毒的anti-CRISPR蛋白和细菌的CRISPR复合物结合的结构,准确地揭示了病毒是如何让细菌防御系统失效的。(背景知识:细菌进化出了CRISPR介导的适应性免疫系统,用以对抗病毒感染,而病毒也进化出了多种anti-CRISPR(Acr)蛋白来破坏细菌的这些免疫系统。科学家们正是利用病毒的这种对抗机制来寻找CRISPR的关闭开关。)【详细】

22# 哈工大Nature发文:揭示Anti-CRISPR蛋白抑制SpyCas9活性的分子机制


黄志伟教授

在去年12月发表的题为“Inhibition of CRISPR-Cas9 with Bacteriophage Proteins”的论文中,科学家们找到了在细菌和人类细胞中都能阻止CRISPR系统基因编辑活性的“关闭开发”:AcrIIA2和AcrIIA4。它们能够阻断CRISPR系统中Cas9/SpyCas9酶的活性。那么,这些“关闭开关”抑制SpyCas9活性的分子机制是怎样的呢?哈工大黄志伟教授研究组4月27日发表在Nature杂志上的论文(题目:Structural basis of CRISPR–SpyCas9 inhibitionby an anti-CRISPR protein)回答了这一问题。【详细】

值得一提的是,Jennifer Doudna教授团队7月12日发表在Science Advances上的一篇论文(题目:Disabling Cas9 by an anti-CRISPR DNA mimic)证实了“关闭开关”AcrIIA4能够降低Cas9编辑人类细胞基因组的脱靶效应。研究人员认为,这些anti-CRISPR可能成为一种控制脱靶效应的有效途径。【详细】

23# Cell:女神团队发现广谱CRISPR-Cas9抑制剂


8月24日,JenniferDoudna教授团队又在Cell杂志上发表了一篇题为“A Broad-Spectrum Inhibitor of CRISPR-Cas9”的论文。这次,他们找到了CRISPR-Cas9系统的一种广谱抑制剂,也就是“关闭开关”。

具体来说这一研究发现,AcrIIC1 和AcrIIC3两种anti-CRISPR蛋白能够通过不同的策略来抑制Cas9酶。研究证实,AcrIIC1是一种广谱的Cas9抑制剂,它可以通过直接结合到Cas9酶保守的HNH催化域来阻止多种不同Cas9同源(multiple divergent Cas9 orthologs)的DNA切割。AcrIIC1-Cas9HNH域复合物(AcrIIC1-Cas9 HNH domain complex)的晶体结构揭示了AcrIIC1是如何限制Cas9酶的。相比而言,AcrIIC3能阻断单个Cas9同源(Cas9ortholog)的活性,在阻止Cas9绑定靶向DNA时诱导了Cas9的二聚化。【详细】

一些警告

24# 泼冷水!Nature子刊“大发现”:CRISPR可引发数百种“意外突变”


5月30日,在线发表于NatureMethods杂志上题为“Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo”的一篇论文给CRISPR“泼了盆冷水”。借助全基因组测序,研究人员发现,这一革命性的基因组编辑技术能够引入数百种意想不到的突变到基因组中。该论文的发表引发了不小的轰动。之后,有很多科学家对这篇论文提出了质疑,甚至要求《自然》杂志将该论文撤稿。不过目前还没有对这篇论文的最终处理结果。【详细】

25# 张锋:想用“魔剪”CRISPR治疗人类疾病,没那么简单


张锋

7月31日,发表在NatureMedicine上题为“Implications of human genetic variation in CRISPR-based therapeuticgenome editing”的研究中,张锋等科学家发现,我们DNA中的天然差异可能会通过阻碍Cas9酶作用于正确的基因目标,从而削弱CRISPR技术精准编辑人类基因组的能力。对这一问题严重程度的分析将对如何在临床试验中测试基因组编辑技术,以及是否这类技术能够被广泛应用产生重要的影响。

作者们认为,包括GUIDE-seq、CIRCLE-seq等在内的一些筛选策略能够揭示CRISPR系统中RNA导向的核酸酶的脱靶切割活性,应该被用于寻找针对特定疾病的、最好的导向RNA和内切酶组合(guide RNA–enzyme combination)。他们强调,全基因组测序将对匹配患者遗传变异和最有效导向RNA至关重要。【详细】

结语

受篇幅限制,经过艰(精)难(挑)抉(细)择(选),小编选出了以上25项进展与大家分享。登录探索君网站,搜索【CRISPR】、【基因编辑】了解更多CRISPR技术2017年的研究进展、时政和产业动态等内容。

最后,小编唠叨几句,一眨眼,一年一度的诺奖又要来了。之前几年CRISPR获奖的呼声一直很高。Jennifer Doudna教授、Emmanuelle Charpentier教授、George M.Church教授以及张锋教授先后都入选了有着诺奖风向标之称的汤森路透“引文桂冠奖”。那么,今年CRISPR究竟能否拿下这一大奖呢?我们一起拭目以待吧!

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