姜夢(mèng)圓,劉紅玲
目前的DNA編輯方法可以根據(jù)其靶向機(jī)制大致分為兩組:蛋白質(zhì)定向和核苷酸定向的編輯技術(shù)。鋅指核酸酶(zinc finger nuclease,ZFNs)和轉(zhuǎn)錄激活物樣效應(yīng)核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)是研究最多的蛋白質(zhì)定向DNA編輯技術(shù),而CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated gene)技術(shù)是一種核苷酸定向的DNA編輯技術(shù)。CRISPR/Cas技術(shù)在誘導(dǎo)遺傳修飾方面顯示了更高的效率,并且它不涉及靶特異性蛋白質(zhì),只需要調(diào)整單個(gè)sgRNA的短區(qū)域便可以實(shí)現(xiàn)靶向特異性,故較ZFNs和TALENs表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。此外,基于CRISPR的方法可以規(guī)避病毒載體能力的局限性,因此CRISPR/Cas系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于研究及治療各種疾病[1-2]。研究報(bào)道1/4~1/3的人類疾病與遺傳密切相關(guān)?,F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的遺傳性疾病約有4000種,其中遺傳性眼病和有眼部表現(xiàn)的全身遺傳性疾病約有600種[3]。由于這些疾病的病因尚未完全闡明且無(wú)有效的治療方法,因此嚴(yán)重影響患者的視力和生活質(zhì)量。近幾年隨著CRISPR/Cas系統(tǒng)的研究和發(fā)展,遺傳性眼病的致病機(jī)制在基因水平上得到進(jìn)一步詮釋,從而為今后應(yīng)用CRISPR/Cas系統(tǒng)治療此類疾病帶來(lái)了新的希望。
成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeat,CRISPR)是由一系列短的高度保守的正向重復(fù)序列(repeats)與長(zhǎng)度相似的間隔序列(spacers)間隔排列組成。CRISPR位點(diǎn)附近存在著一系列保守的CRISPR相關(guān)基因(CRISPR-associated gene,Cas),Cas基因編碼的蛋白具有核酸相關(guān)的功能域。CRISPR位點(diǎn)的第一個(gè)重復(fù)序列上游有CRISPR前導(dǎo)序列,即啟動(dòng)子,啟動(dòng)CRISPR序列的轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的非編碼RNA被命名為CRISPR RNAs(crRNA)。這些crRNA和Cas蛋白共同參與CRISPR免疫防御過(guò)程[4]。
1987年,CRISPR序列在大腸桿菌的基因組中被首次發(fā)現(xiàn),隨后,在其他細(xì)菌和古菌中也發(fā)現(xiàn)了這一特殊序列。2005年,發(fā)現(xiàn)這些CRISPR序列和噬菌體的基因序列匹配度很高,說(shuō)明CRISPR 可能參與了微生物的免疫防御。2011年,CRISPR/Cas系統(tǒng)的分子機(jī)制被揭示:當(dāng)病毒首次入侵時(shí),細(xì)菌會(huì)將外源基因的一段序列整合到自身的CRISPR的間隔區(qū);病毒二次入侵時(shí),CRISPR 轉(zhuǎn)錄生成前體crRNA (pre-crRNA),pre-crRNA 經(jīng)過(guò)加工形成含有與外源基因匹配序列的crRNA,該crRNA與病毒基因組的同源序列識(shí)別后,介導(dǎo) Cas 蛋白結(jié)合并切割,保護(hù)自身免受入侵。直到2012年,Jinek等[5]發(fā)現(xiàn)了鏈霉菌屬中的Type II型CRISPR-Cas系統(tǒng),至此實(shí)現(xiàn)了基因編輯的重大突破。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)也在構(gòu)建疾病模型及修復(fù)疾病模型方面顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
II型CRISPR-Cas9系統(tǒng)由Case9核酸酶和單一的向?qū)NA(single guide RNA)組成。在sgRNA的指引下,Case9核酸酶對(duì)靶標(biāo)DNA的特異性剪切主要通過(guò)識(shí)別保守的原間隔序列臨近序列(protospacer adjacent motif,PAM)來(lái)進(jìn)行[6]。靶標(biāo)DNA斷裂后,可以通過(guò)兩種機(jī)制進(jìn)行修復(fù)。如果沒(méi)有同源模板則直接修復(fù),發(fā)生非同源末端連接(non-homologous end joining,NHEJ)。如果存在同源模板,則發(fā)生同源性定向修復(fù)(homology directed repair,HDR)[2]。
2.1CRISPR/Cas系統(tǒng)在遺傳性視網(wǎng)膜疾病中的應(yīng)用視網(wǎng)膜退行性疾病進(jìn)展不可逆轉(zhuǎn),且視網(wǎng)膜再生潛能小,如何治療視網(wǎng)膜退行性疾病成為了研究者們面臨的重要挑戰(zhàn)。遺傳性視網(wǎng)膜退行性疾病具有不同臨床表現(xiàn)和不同的基因突變形式,晚期由于漸進(jìn)性光感受器死亡而最終出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的失明。目前患有遺傳性視網(wǎng)膜疾病的患者約有2000萬(wàn)人,還沒(méi)有接受可靠有效的治療。隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展,基因和細(xì)胞治療有望為這類疾病提供新的治療前景[7]。迄今為止,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有250個(gè)基因與視網(wǎng)膜退行性疾病的發(fā)展相關(guān)。利用CRISPR/Cas系統(tǒng)可以對(duì)這類疾病的相關(guān)基因進(jìn)行前沿性研究[5]。
2.1.1CRISPR/Cas系統(tǒng)在Leber先天性黑矇的應(yīng)用Leber先天性黑矇(Leber congenital amaurosis,LCA)是一種遺傳性視網(wǎng)膜營(yíng)養(yǎng)不良性疾病,于150a前被Theodor Leber首次報(bào)道。LCA主要表現(xiàn)為在出生時(shí)或出生后不久即出現(xiàn)視力喪失,鐘擺樣的眼球震顫,瞳孔黑矇及色素性視網(wǎng)膜變性[7],其患病率約為1/3000,約占所有遺傳性視網(wǎng)膜營(yíng)養(yǎng)不良的5%。
LCA患者最常發(fā)生突變的基因是中心體蛋白290 kDa(CEP290)基因,這種突變基因引起的LCA被稱為L(zhǎng)CA10[8]。在CEP290突變中,最常見(jiàn)的是內(nèi)含子26的突變(也稱為IVS26突變)。Ruan 等[8]應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)將CEP290剪接突變引入到293FT細(xì)胞,構(gòu)建了模擬LCA10的細(xì)胞模型。并且通過(guò)特定的sgRNAs和Cas9的組合切除CEP290基因中的IVS26突變,發(fā)現(xiàn)可以有效地糾正LCA細(xì)胞模型中的IVS26突變。并通過(guò)構(gòu)建動(dòng)物模型,發(fā)現(xiàn)sgRNA和SpCas9的組合可以敲除小鼠中突變的CEP290基因。研究者還開(kāi)發(fā)了限制SpCas9表達(dá)的自限性CRISPR/Cas9系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)仍能誘導(dǎo)CEP290的靶向缺失,同時(shí)降低了脫靶效應(yīng)并提高了系統(tǒng)的安全性。這些研究結(jié)果為今后應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)治療此類疾病帶來(lái)了新的希望。
誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)具有替代自體細(xì)胞的潛能。但是,對(duì)于許多遺傳性疾病的治療可能需要移植前的基因修飾。Burnight 等[9]通過(guò)CRISPR/Cas9介導(dǎo)的非同源末端連接(non-homologous end joining,NHEJ)切除了LCA10患者iPSCs中致病基因的IVS26突變,完成了iPSCs中的轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)的校正。因此Burnight 等認(rèn)為CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以用來(lái)糾正遺傳性視網(wǎng)膜變性的多種遺傳變異。
2.1.2CRISPR/Cas系統(tǒng)在視網(wǎng)膜色素變性中的應(yīng)用視網(wǎng)膜色素變性(retinitis pigmentosa,RP)是一種視網(wǎng)膜退化性疾病,常伴有夜盲癥、管狀視力、致盲等表現(xiàn),具有高遺傳性和異質(zhì)性,發(fā)病率約1/4000,并且正在成為世界范圍內(nèi)不可逆失明的重要原因。目前已明確70余種基因與這種具有不同表型的視網(wǎng)膜退化性疾病相關(guān)[7,10]。
前體信使RNA(pre-mRNA)剪接是真核細(xì)胞中必不可少的生物學(xué)過(guò)程。許多剪接體基因中的遺傳突變引起人眼相關(guān)疾病。Pre-mRNA剪接因子——RP9的突變易導(dǎo)致常染色體顯性遺傳視網(wǎng)膜色素變性(autosomal dominant retinitis pigmentosa,adRP)。Lv等[10]利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在體外進(jìn)行Rp9基因敲除(KO)和點(diǎn)突變敲入(KI),通過(guò)MTT方法,發(fā)現(xiàn)Rp9-KI和Rp9-KO細(xì)胞生長(zhǎng)速率降低。通過(guò)western blot法發(fā)現(xiàn)Rp9-KI和Rp9-KO細(xì)胞增殖被抑制。通過(guò)體外劃痕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Rp9-KI和Rp9-KO細(xì)胞遷移減少。通過(guò)RNA-Seq的基因表達(dá)譜分析證明RP相關(guān)基因Bbs2和Fscn2在Rp9-KI和Rp9-KO細(xì)胞中顯著下調(diào)。并通過(guò)RT-PCR方法發(fā)現(xiàn),Rp9-KI和Rp9-KO不影響B(tài)bs2剪接,但Fscn2基因的Pre-mRNA剪接明顯受到影響。這表明并非所有的剪接都對(duì)Rp9突變同樣敏感。這些研究結(jié)果揭示了RP9表達(dá)和疾病特異性基因之間的功能關(guān)系,并提供了RP9相關(guān)性RP疾病機(jī)制的新見(jiàn)解。
大多數(shù)adRP患者具有視紫紅質(zhì)RhoS334基因突變[11]。Bakondi等[12]在攜帶RhoS334ter突變的adRP大鼠模型中,通過(guò)電轉(zhuǎn)染在視網(wǎng)膜下注射gRNA/Cas9質(zhì)粒,進(jìn)而選擇性地將攜帶RhoS334ter突變的視紫紅質(zhì)基因刪除。免疫組化顯示表型改變是顯而易見(jiàn)的,表現(xiàn)為感光突觸和視網(wǎng)膜突觸的保存。這表明這一策略可阻止視網(wǎng)膜退化,改善視覺(jué)功能。
2.2CRISPR/Cas系統(tǒng)在新生血管性疾病中應(yīng)用血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)在血管生成中起著關(guān)鍵作用,與多種人類疾病相關(guān),如增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變(proliferative vitreoretinopathy,PVR)和年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration,ARMD)等。PVR是目前工作年齡人群中獲得性失明發(fā)生率最高的疾病,而ARMD是65歲以上人群失明的主要原因[13]。盡管抗VEGF藥物可以減少新生血管的生長(zhǎng)并減少血管滲漏,但是由于VEGF會(huì)持續(xù)從病變的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(retinal pigment epithelium,RPE)分泌,這些抗VEGF藥物必須多次注射[14]。而基因治療因其長(zhǎng)效表達(dá)會(huì)減少或消除對(duì)患者重復(fù)注射抗-VEGF抑制劑的需要而具有優(yōu)勢(shì)[15]。
2.2.1CRISPR/Cas系統(tǒng)在ARMD中的應(yīng)用ARMD的發(fā)病機(jī)制可能與RPE和Bruch膜之間形成的基底膜沉積有關(guān),且涉及補(bǔ)體系統(tǒng)的激活。ARMD與EFEMP1相關(guān)性黃斑變性具有相似的臨床特征,如基底膜沉積物和玻璃膜疣,EFEMP1相關(guān)性黃斑變性是由人包含EGF腓骨蛋白樣胞外基質(zhì)蛋白1(EFEMP1)中的顯性p.R345W突變引起的。為了研究在ARMD中Bruch膜,RPE和補(bǔ)體之間的關(guān)系,F(xiàn)ernandez-Godino 等[16]應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)設(shè)計(jì)了含有p.R345W突變的ARPE-19細(xì)胞,通過(guò)免疫染色及transwells方法,發(fā)現(xiàn)由p.R345W突變引起的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)結(jié)構(gòu)及組成的變化會(huì)導(dǎo)致RPE細(xì)胞產(chǎn)生補(bǔ)體激活和形成基底沉積。值得注意的是,當(dāng)人胎兒RPE細(xì)胞在ARMD患者的Bruch膜上培養(yǎng)時(shí),也觀察到類似的反應(yīng),這表明通過(guò)異常ECM刺激補(bǔ)體激活是遺傳性和年齡相關(guān)性黃斑變性的早期發(fā)病機(jī)制中的共同因素。這些研究使我們部分了解了黃斑變性的早期發(fā)病機(jī)制。
ARMD與VEGF基因的過(guò)度表達(dá)有關(guān)。其中VEGFA是血管生成中的重要因素,因此它是治療ARMD的主要靶點(diǎn)。Kim 等[14]通過(guò)激光誘導(dǎo)產(chǎn)生含有脈絡(luò)膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)的ARMD小鼠模型,并將預(yù)先組裝的VEGFA基因特異性Cas9核糖核蛋白(ribonucleoprotein,RNP)注射到小鼠視網(wǎng)膜下來(lái)研究Cas9 RNP是否可用于在ARMD小鼠模型中治療CNV。他們發(fā)現(xiàn)在小鼠模型中,Cas9 RNP可以有效地減少CNV的面積,且通過(guò)Digenome-seq進(jìn)行全基因組分析表明,在基因組中很少誘導(dǎo)脫靶突變。這些研究結(jié)果表明,可使用Cas9 RNPs靶向滅活視網(wǎng)膜中的VEGFA,用于ARMD的局部治療。并且他們認(rèn)為,基因治療不僅是一個(gè)設(shè)想,在不久的將來(lái)醫(yī)生可以運(yùn)用基因治療來(lái)治療疾病。
2.2.2CRISPR/Cas系統(tǒng)在PVR中的應(yīng)用小鼠雙微體2(MDM2)是一種E3泛素蛋白連接酶,研究表明MDM2 SNP309G與PVR相關(guān)[17],但MDM2 SNP309G是否參與PVR的發(fā)展尚不清楚。Zhou 等[18]應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)及含有MDM2 G309的DNA模板構(gòu)建表達(dá)MDM2T309G或T309T的hRPE細(xì)胞模型,并向兔眼玻璃體腔內(nèi)注射表達(dá)MDM2 T309G或T309T的hRPE細(xì)胞。Western印跡分析表明表達(dá)MDM2T309G的細(xì)胞中p53含量較表達(dá)MDM2T309T的細(xì)胞明顯降低。此外,與兔眼玻璃體腔內(nèi)表達(dá)MDM2T309T的hRPE細(xì)胞相比, 表達(dá)MDM2T309G的hRPE細(xì)胞收縮顯著增強(qiáng),并且hRPE細(xì)胞中的MDM2T309G增強(qiáng)了兔模型中PVR的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RPE細(xì)胞中的MDM2 SNP309可能增強(qiáng)PVR發(fā)病幾率。
2.3CRISPR/Cas系統(tǒng)在眼科其他人眼相關(guān)疾病中的應(yīng)用
2.3.1CRISPR/Cas系統(tǒng)在眼部發(fā)育中的應(yīng)用Pax6是一種含同源結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子,對(duì)于大多數(shù)動(dòng)物(包括果蠅、小鼠和人供體類)以及胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞的神經(jīng)發(fā)育,以及分化中的眼睛及鼻腔發(fā)育至關(guān)重要。已有研究結(jié)果表明,Pax6突變的影響取決于突變的程度和基因劑量。為了證明不同劑量的Pax6基因?qū)ρ劬Φ挠绊?,Yasue 等[19]應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)建立了Pax6基因缺陷的小鼠模型。形態(tài)學(xué)和基因組分析表明,經(jīng)Pax6-CRISPR編輯的具有不同的Pax6突變劑量的胚胎具有不同的眼睛表型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Pax6的中度表達(dá)可能導(dǎo)致視網(wǎng)膜過(guò)度增殖,且來(lái)自表面外胚層的晶狀體發(fā)育比來(lái)自視泡囊的視網(wǎng)膜發(fā)育需要更高的Pax6基因劑量。這提示CRISPR/Cas9系統(tǒng)可控制小鼠模型中的基因劑量,為眼睛發(fā)育相關(guān)研究提供了方向。
2.3.2CRISPR/Cas系統(tǒng)在原發(fā)性開(kāi)角型青光眼中的應(yīng)用原發(fā)性開(kāi)角型青光眼(primary open-angle glaucoma,POAG)是全球不可逆轉(zhuǎn)的視力喪失的首要原因,Myocilin(MYOC)突變可見(jiàn)于4%的POAG患者。研究表明MYOC突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊,使小梁中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,從而導(dǎo)致眼壓升高,引起POAG。Jain 等[20]應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯小鼠小梁網(wǎng)細(xì)胞并構(gòu)建了小鼠MYOC突變株,進(jìn)而選擇性地將MYOC突變刪除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明通過(guò)這項(xiàng)基因編輯技術(shù)可以降低眼壓,證明了這項(xiàng)基因編輯技術(shù)在眼科這項(xiàng)重要疾病中的可行性。
2.3.3CRISPR/Cas系統(tǒng)在先天性白內(nèi)障中的應(yīng)用先天性白內(nèi)障會(huì)導(dǎo)致新生兒雙眼盲,之前研究表明有近1/3的先天性白內(nèi)障與晶體基因突變相關(guān),如aA-晶體蛋白基因(CRYAA)。Yuan 等[21]通過(guò)向兔受精卵的細(xì)胞質(zhì)中注射Cas9 mRNA和sgRNA,人工構(gòu)建CRYAA突變的兔模型,表現(xiàn)為先天性白內(nèi)障、小眼球與早期晶狀體萎縮以及晶狀體纖維分化失敗。因此,利用CRISPR/Cas構(gòu)建的兔模型為進(jìn)一步闡明CRYAA基因的致病機(jī)制提供了良好工具。
CRISPR/Cas9系統(tǒng)作為一種快速發(fā)展的革命性技術(shù),在基因編輯方面展現(xiàn)出巨大的潛力,已有大量報(bào)道表示CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以精確敲除、插入或替換細(xì)胞水平的目標(biāo)基因,甚至可以用來(lái)構(gòu)建動(dòng)物模型。與其他基因組定位編輯技術(shù)相比,CRISPR/Cas9系統(tǒng)具有更高效的基因編輯效率,操作更方便,同時(shí)安全性高,毒性小,脫靶效應(yīng)相對(duì)較低。
雖然CRISPR/Cas系統(tǒng)具有良好的前景,但如何將該系統(tǒng)的各個(gè)組分直接高效地運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞中仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。目前,Rubul等[22]通過(guò)將金納米顆粒與Cas9蛋白及sgRNA組成復(fù)合體,成功實(shí)現(xiàn)了CRISPR/Cas系統(tǒng)向細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞核的轉(zhuǎn)運(yùn),在細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90%的運(yùn)輸效率。
此外,CRISPR的最新研究進(jìn)展是尋求一種手段來(lái)導(dǎo)致單核苷酸的改變[23-24]。這一改變通過(guò)將去活化的Cas核酸酶(dead Cas,dCas)與嚙齒動(dòng)物胞嘧啶脫氨酶融合來(lái)實(shí)現(xiàn)。dCas /脫氨酶融合蛋白轉(zhuǎn)染的細(xì)胞經(jīng)歷單個(gè)胞嘧啶至尿嘧啶的轉(zhuǎn)化,隨后通過(guò)DNA校正機(jī)制或在復(fù)制過(guò)程中將其修復(fù)為胸腺嘧啶。該系統(tǒng)整體效率的提高及插入錯(cuò)誤的減少代表了CRISPR技術(shù)的巨大進(jìn)步和發(fā)展[15]。
CRISPR/Cas9系統(tǒng)目前已被應(yīng)用于動(dòng)物遺傳性疾病的治療,同時(shí)也正在推進(jìn)用于臨床上治療人類疾病。盡管與傳統(tǒng)基因編輯技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì),但圍繞CRISPR/Cas系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題和倫理問(wèn)題阻礙了其臨床使用[25]。
第一個(gè)存在的問(wèn)題是脫靶效應(yīng)。與小鼠及斑馬魚(yú)相比,人類細(xì)胞中脫靶突變存在更常見(jiàn)[25-26]。最近,開(kāi)發(fā)了一種可逆的基于CRISPR的基因編輯策略,稱為CRISPR干擾(CRISPRi)。該技術(shù)對(duì)sgRNA與靶序列之間的錯(cuò)配高度敏感,因此與常規(guī)使用的RNAi相比減少了靶向脫靶效應(yīng)[15]。此外,目前也采用了諸如sgRNA設(shè)計(jì)的優(yōu)化,成對(duì)的nCas9的使用,配對(duì)的dCas9-FokI核酸酶和增強(qiáng)的Sp-Cas9的方法來(lái)解決脫靶問(wèn)題[27-28]。然而,仍然存在一個(gè)問(wèn)題:脫靶效應(yīng)是否能夠針對(duì)數(shù)十億個(gè)DNA序列中涉及大量細(xì)胞的單一位點(diǎn)進(jìn)行治療,并且是針對(duì)個(gè)體患者進(jìn)行特異性和不同設(shè)計(jì)的治療[25]。
此外,使用CRISPR來(lái)編輯人類種系已引起科學(xué)界的倫理爭(zhēng)論。例如,應(yīng)用CRISPR技術(shù)可使運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)或智力能力提高,如果只有特定的個(gè)人能夠獲得這種提高,就會(huì)造成社會(huì)問(wèn)題[21]。
由于許多人眼相關(guān)疾病的病因尚未完全闡明且無(wú)有效的治療方法,因而嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。雖然目前圍繞CRISPR/Cas系統(tǒng)仍存在很多問(wèn)題,但隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善,針對(duì)倫理問(wèn)題等相關(guān)政策的進(jìn)一步建立,CRISPR/Cas系統(tǒng)在人眼相關(guān)疾病中的前景十分可期。