新發(fā)現(xiàn)！基因組編輯技術(shù)可對DNA進(jìn)行微調(diào)

Crispr基因編輯——一種分子剪刀可以讓科學(xué)家對生物體的DNA進(jìn)行有針對性的改變。Crispr基因編輯毫無疑問是治療鐮狀細(xì)胞病的一個(gè)希望。鐮狀細(xì)胞病是一種與之相關(guān)的血液疾病，被稱為地中海貧血，是一種罕見的失明，以及一種毀滅性的疾病，被稱為轉(zhuǎn)甲狀腺素淀粉樣變性，在這種疾病中，一種畸形的蛋白質(zhì)會在體內(nèi)堆積。有時(shí)候，科學(xué)家可以使用Crispr剪掉有問題的DNA以達(dá)到治療疾病的目的，但在某些情況下，保留一個(gè)基因并對其進(jìn)行微調(diào)，即系進(jìn)入表觀遺傳編輯，可能會達(dá)到更好的目的。

表觀遺傳學(xué)是研究DNA在一生中發(fā)生的化學(xué)變化，這些變化反過來又影響基因的表達(dá)。這些變化可能是由于一個(gè)人的行為(如飲食或吸煙)或環(huán)境暴露(如毒素或紫外線)造成的。表觀遺傳學(xué)是一種分子記憶，反映了我們多年來遇到的經(jīng)驗(yàn)。這就是為什么，在擁有相同DNA密碼的同卵雙胞胎中，一個(gè)可能會患上癌癥，而另一個(gè)則保持健康。

雖然基因編輯依賴于改變DNA密碼本身，而表觀遺傳編輯則涉及到上調(diào)或下調(diào)單個(gè)基因的表達(dá)。基因包含制造重要蛋白質(zhì)的指令，而它們的表達(dá)是基因被“開啟”來制造它們的過程。如果將基因比喻成音板上的音量旋鈕，表觀遺傳編輯控制著它們的設(shè)置是“響亮的”還是“柔和的”。

對于這樣的“音量控制”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是一個(gè)新領(lǐng)域，而剛好在今年5月發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究提供了一個(gè)有趣的線索，揭示了一個(gè)可能的應(yīng)用：對抗早期飲酒改變基因工作方式的方式。在之前的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，青春期的酗酒會改變杏仁核的大腦化學(xué)成分–杏仁核是大腦中控制恐懼和快樂反應(yīng)的小杏仁形狀的部分。在嚙齒動物和人類身上，他們都發(fā)現(xiàn)，在生命早期接觸酒精似乎會減少一種名為Arc的基因的表達(dá)。這個(gè)基因是大腦可塑性的主要調(diào)節(jié)器，也就是大腦基于經(jīng)驗(yàn)的適應(yīng)能力。當(dāng)Arc的表達(dá)被抑制時(shí)，這種變化與成年后易患焦慮和酒精使用障礙有關(guān)。

在這項(xiàng)新研究中，由伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校酒精表觀遺傳學(xué)研究中心主任、精神病學(xué)教授Subhash Pandey帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)想看看他們是否可以通過在老鼠杏仁核中對Arc進(jìn)行表觀遺傳編輯來逆轉(zhuǎn)這種改變。他們構(gòu)建了一種經(jīng)過修改的Crispr形式，這種Crispr不是編輯或刪除基因，而是增加基因的表達(dá)。然后，他們將其注射到成年大鼠的大腦中，這些成年大鼠在青少年時(shí)期曾接觸過酒精——相當(dāng)于10至18歲的人類。這種早期的接觸意味著Arc的表達(dá)在成年動物中已經(jīng)受到抑制。Subhash Pandey表示他們瞄準(zhǔn)了杏仁核的中央核，因?yàn)檫@是處理進(jìn)入大腦的信息的關(guān)鍵中樞，也是焦慮、恐懼和飲酒行為的中心。

注射Crispr使Arc的表達(dá)恢復(fù)到基線水平，Subhash Pandey稱之為大腦的“工廠重置”。之后，這些嚙齒動物攝入的酒精減少了，焦慮也減少了——研究人員通過行為測試來測量這一點(diǎn)，包括老鼠在所謂的“高架迷宮”中的表現(xiàn)。十字形迷宮由兩條暴露在外的臂和兩條封閉的臂組成。嚙齒類動物的壓力越大，它們就越不愿意在迷宮的露天部分呆上一段時(shí)間。

Subhash Pandey說：“我們沒有看到任何跡象表明他們的飲酒水平會回到基線，所以我們認(rèn)為，也許這種表觀基因編輯會產(chǎn)生持久的影響，我認(rèn)為，就如何將這種療法轉(zhuǎn)化為人類治療而言，還有很多工作要做，但我抱有很高的希望。”

為了測試Arc基因是否真的導(dǎo)致了這一結(jié)果，研究人員還設(shè)計(jì)了一種旨在減少其表達(dá)的Crispr注射。他們在青春期沒有接觸酒精的老鼠身上進(jìn)行了測試。注射后，老鼠比之前更焦慮，喝了更多的酒。

這項(xiàng)研究提出了一種可能性，即我們的分子記憶可能會被修改，甚至被刪除。加州大學(xué)伯克利分校的遺傳學(xué)教授、加州大學(xué)伯克利分校和加州大學(xué)舊金山分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所的科學(xué)主任費(fèi)奧多爾·烏爾諾夫說：“這項(xiàng)研究展示了改變基因?qū)ζ浣?jīng)歷的記憶的可行性，這深深給我留下了深刻的印象。”但是他也強(qiáng)調(diào)，老鼠不是人類，我們不應(yīng)該草率下結(jié)論。烏爾諾夫說表示治愈一只老鼠和用表觀遺傳編輯器給一個(gè)酗酒成癮的人注射之間的距離還很遙遠(yuǎn)。我們是否具備向那些輕度飲酒問題的人的杏仁核進(jìn)行快速注射還有很長的路要走。

烏爾諾夫作為表觀遺傳編輯公司Tune Therapeutics的聯(lián)合創(chuàng)始人之一，他認(rèn)為，這樣的實(shí)驗(yàn)療法可以在多次治療后復(fù)發(fā)、沒有其他治療選擇的酒精成癮患者中進(jìn)行測試。

然而，與直接編輯基因一樣，調(diào)整基因表達(dá)可能會產(chǎn)生意想不到的后果。因?yàn)锳rc是一種與大腦可塑性有關(guān)的調(diào)節(jié)基因，修改它的表達(dá)可能會產(chǎn)生酒精成癮以外的影響。俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)遺傳學(xué)教授貝琪·弗格森(Betsy Ferguson)研究成癮和其他精神疾病的表觀遺傳機(jī)制，她說:“我們不知道這種變化會改變其他什么行為。”“這是一種平衡，既要找到有效的方法，又要找到不會破壞日常生活的方法?！?/p>

另一個(gè)復(fù)雜的因素是，隨著時(shí)間的推移，酒精的使用會改變數(shù)十個(gè)、甚至數(shù)百個(gè)基因的表達(dá)。在人類中，這可能不像提高Arc的表達(dá)那么簡單，這只是其中之一。雖然解決方案似乎是調(diào)整所有這些基因，但同時(shí)操縱許多基因的表達(dá)可能會導(dǎo)致問題?！拔覀冎佬袨椋嬀菩袨?，是由許多基因控制的，這真的是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題來解決，”Betsy Ferguson說。

目前還不清楚這種編輯的影響會持續(xù)多久。Betsy Ferguson表示自然發(fā)生的表觀遺傳變化可能是暫時(shí)的，也可能是永久性的，有些甚至可以傳給后代?？偟膩碚f，她認(rèn)為使用表觀遺傳編輯治療酒精成癮的想法很有趣，但她希望看到結(jié)果被復(fù)制，并在更接近人類的大型動物身上試驗(yàn)Crispr治療。

相信這一天可能不會太遠(yuǎn)，因?yàn)樽罱袔准夜就瞥隽吮碛^遺傳編輯商業(yè)化。在總部設(shè)在圣地亞哥的Navega治療公司，研究人員正在研究如何通過抑制一種名為SCN9A的基因的表達(dá)來治療慢性疼痛。當(dāng)它高度表達(dá)時(shí)，它會發(fā)出許多疼痛信號。但簡單地刪除這個(gè)基因并不是一個(gè)好主意，因?yàn)橐欢ǔ潭鹊奶弁词怯杏玫?；?dāng)身體出現(xiàn)問題時(shí)，它會發(fā)出信號。(在極少數(shù)情況下，攜帶SCN9A突變的人對疼痛具有免疫力，這使他們?nèi)菀资艿綗o法感覺到的傷害。)。在Navega的實(shí)驗(yàn)中，小鼠的表觀遺傳編輯似乎抑制了幾個(gè)月的疼痛。