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基因“剪刀” 如何撬动几十亿美元大市场

导读: 2017年十大科学突破中,“精准定位的基因编辑”榜上有名,研究人员修改了基因编辑工具,做到“精确到点”的修改,这使得基因“剪刀”在未来可能撬动更大的市场。

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2017年十大科学突破中,“精准定位的基因编辑”榜上有名,研究人员修改了基因编辑工具,做到“精确到点”的修改,这使得基因“剪刀”在未来可能撬动更大的市场。

软软的、十几纳米大小,核酸酶的“微观照”更像一大团“棉花糖”。百科上这样介绍它:它的发现和采用,使基因的“编辑”,包括插入、删失、融合等操作成为可能。它内部是“分区”的,有的区管“定位”、有的区管“切割”……

正是这把“棉花糖”样的“剪刀”就要“利刃出鞘”——美国某著名咨询公司近日发布报告称,全球基因组编辑(包括CRISPR、TALEN和ZFN)的市场规模将从2017年的31.9亿美元增长到2022年的62.8亿美元,复合年均增长率为14.5%。

产业市场的“全面开花”还只是一部分,“点”的突破仍在基因编辑行业不断产生。美国《科学》杂志近日公布的2017年十大科学突破中,“精准定位的基因编辑”榜上有名,研究人员修改了基因编辑工具,做到“精确到点”的修改,这使得基因“剪刀”在未来可能撬动更大的市场。

三种手段,各有千秋

“蘑菇有个释放孢子的‘习惯’,之后摘下来的蘑菇就要变黑,拿到市场上也不好卖。”清华大学合成与系统生物学研究中心研究员谢震深入浅出,怎么让它不黑,通过敲除诱发这个“习惯”的基因,“生物活动被阻断了,就不会变黑了,进而延长货架期。”

对自然界一些“拙作”进行“美化”,是人们希望通过基因编辑做到的。

现有的3种基因编辑技术ZFN、TALEN、CRISPR,又是怎么做到编辑基因,改变生物活动的呢?“ZFN、TALEN技术可以视为一类,它们是通过外源的蛋白质,进入细胞后找到DNA序列的。”谢震说,“CRISPR技术的‘核心功能组件’则不同,有一部分是RNA序列,另一部分是蛋白质。”

要完成编辑工作,它们的架构和功能都很相似,3种技术中依赖的“核心组件”,都必须拥有“定位”功能和“剪切”功能:ZFN技术中的蛋白叫锌指核酸酶,由于三维结构像人的手指,中间有锌离子而得名;TALEN技术中的蛋白叫转录激活样效应因子核酸酶。

两个核酸酶都有分区,即可特异性识别序列的DNA结合域和进行非特异性切割的DNA切割域。

在CRISPR技术中,识别特异性DNA序列的工作由“向导RNA”配合完成,而不是由蛋白质单独完成,切割DNA的工作仍由蛋白质完成。

“酶的不同,使得技术的复杂程度和应用范围也不相同,”谢震说,例如“一拖多”的基因编辑工作,即能够一次同时编辑多个基因的任务,CRISPR最容易做到,TALEN困难一些,ZFN却很困难。

构造3种编辑工具的工作非常繁琐,尽管CRISPR相对简单,但是很多研究团队还是希望这种工具“拿来就用”。

为此,专门有研究团队将酶的部件转变成“模块”,按需“组装”就能获得识别特定DNA序列的编辑工具。例如,通过研究者长期的努力,识别每一种三联碱基的64种锌指组合中已有大部分被发现并编撰成目录,这些相关数据也都能够在公共的数据库或者文献中被检索到。

也就是说,针对要编辑的不同基因,这3种方法都必须进行“定制”才能“服务”,而随着基因编辑技术的研究不断深入,公共技术平台将积累起越来越多的共性研究,“定制化”将变得越来越简单。应用门槛的降低,势必会带来市场规模的进一步扩大。

轻松导航,占据市场最大份额

尽管“定制服务”简易化是趋势,但是定制CRISPR的简便是与生俱来的,因为它由RNA做“向导”,与DNA的“亲近”程度比蛋白质更近一步。

一篇《基因编辑,别忘了还有ZFN和TALEN》的文章去年7月发表在生物技术专业网站生物通上,一个“还”字,让CRISPR这种基因编辑技术的火爆不言自明。CRISPR设计操作简便的优势,让其出现最晚,却应用最广。

“向导RNA的合成非常容易,只要确定序列,按照序列互补性原则合成就可以。”谢震说,“但是蛋白质与DNA的作用,不存在‘互补’这样明确的关系,要合成用于向导的蛋白质区域,需要一整套流程,包括预测、验证等。”

谢震解释,这方面TALEN相对容易一些,根据已有的TALEN蛋白结合DNA的特性,可以帮助设计出与特定DNA序列结合的蛋白,ZFN是“定制服务”中最复杂的。

正因为CRISPR灵活的“转场”能力,它在各个领域的基因编辑中获得了广泛应用。分析报告中指出,CRISPR有望占据全球市场的最大份额。

这也致使ZFN技术的拥有者Sangamo生物技术公司老总“酸葡萄”般地表示,CRISPR尽管效率高,但在“精确度”上不及ZFN,不能用于医学领域。2017年,该公司组织实施了第一例人体基因改造治疗的临床试验,向血液内注入基因编辑工具ZFN,以期治疗亨特氏综合征。

事实上,CRISPR技术也已开始在医学诊断和治疗方面开展临床试验。2016年,我国四川大学华西医院就用CRISPR技术删除了肺癌患者免疫细胞中的PD-1蛋白基因,再将基因编辑后的免疫细胞重新注入患者血液中,期望治疗癌症。

“可以通过对蛋白质性质的微调,提高核酸酶的识别能力。”谢震表示,很多提高CRISPR精确度的研究工作正在进行,2016年,谢震团队就在《自然》子刊上发表论文称,他们通过在哺乳动物细胞中合理拆分Cas9蛋白,利用多输入合成基因线路感知不同分子信号,实现了在不同类型细胞中对Cas9/dCas9活性的精确调控,为精确控制CRISPR/Cas9基因编辑工具提供了新的策略。

技术进步,精确度再刷新

“之前是剪刀将双链剪断后,仰仗细胞的自我修复能力以及修补的DNA模板修补基因。现在不剪断,直接让碱基变身。”《科学》杂志2017十大突破中的碱基编辑器,是哈佛大学团队对CRISPR技术的改进,通过核心组件——“酶”的变化实现了编辑功能上的进步。谢震解释称:“原来的Cas9酶的活性丧失了,结合上没有‘剪刀’能力,但与其他蛋白融合能变成使单个碱基突变的酶。”

“最开始他们在自然界找到了这种能定向突变C-T碱基的酶,后来他们自己造了另一种能够定向突变A-G碱基的酶。”谢震说,“目前要解决的是准确性问题,如果在特定区域存在多个重复的碱基,要突变哪一个是需要确定的事。例如把目标位点5个碱基以内的A全部突变掉,需要精确到单个碱基。”

据报道,基因组编辑技术主要应用在细胞系改造、遗传工程、诊断和治疗等方面。目前细胞系改造占最大份额,基因编辑干细胞疗法的研究认知度高。“基因编辑更像一种底层技术,是实现功能或者产品的渠道和方法,期待它的产品能够早日落地。”谢震说。

三大基因编辑技术

基因编辑是指对基因组进行定点修饰的一项新技术。利用该技术,可以精确定位到基因组的某一位点上,在该位点剪断靶标DNA片段并插入新的基因片段。目前主要三大基因编辑技术:人工核酸酶介导的锌指核酸酶技术(ZFN);转录激活因子样效应物核酸酶技术(TALEN);RNA引导的CRISPR-Cas核酸酶技术。

ZFN技术分两步完成,对DNA进行特异性切割,形成DNA双链断裂区;通过破坏非同源末端链接使目的基因失活,或借助同源重组等方式完成DNA的修复连接,可以使断裂的DNA双链重新黏合。

TALEN技术的原理并不复杂,即通过 DNA识别模块将TALEN元件靶向特异性的DNA位点并结合,在同一个蛋白上有序地实现引导进入细胞核、靶位点DNA的特异性识别和靶位点DNA的切割这三个不同的功能。

CRISPR-Cas技术使用一段序列特异性向导RNA分子(crRNA)引导核酸内切酶到靶点处,从而完成基因组的编辑,其编辑基因一般分两步进行——crRNA的合成及在crRNA引导下的RNA结合与剪切。(科技日报)

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