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Nature观点文章 | NIH发起人类体细胞基因组编辑计划

时间:2021-04-12  来源:互联网 

遗传因素是大多数人类疾病(包括遗传性、传染性和恶性疾病)的主要诱因,因此,一直以来,生物医学科学都有一个长期目标,即开发一种方法以修改患者的基因组,从而实现纠正致病突变、使入侵病原体的基因组失效、武装免疫细胞攻击肿瘤以及提供无数其他治疗机会。在某些情况下,单纯的基因添加就具有治疗价值【1】;但在更多的情况下,必须对患者的基因组进行编辑才能获得治疗效果。不容否认,人类基因组经历的从“读”到“写”的转变为改善人类健康提供了新的机会。


在过去的几十年里,用户可编程的基因组编辑技术得到了稳步的发展,并得到了测试、改进和实施,包括同源重组、锌指核酸酶(ZFN)、巨核酸酶和转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)。近些年,来自细菌免疫途径的工程分子机制CRISPR及CRISPR相关蛋白(CRISPR-Cas体系)的出现彻底改变了基因组编辑【2,3】。尽管进展是顺利的,但是在治疗性基因组编辑的变革潜力得以充分实现之前,挑战仍然存在。

在过去6年里,美国国立卫生研究院(NIH)拨款约1.9亿美元支持体细胞基因组编辑联合会SCGE联合会,目前包括来自38个机构的72名主要研究人员,正在进行45个不同的整合良好的项目),旨在加速开发更安全、更有效的方法来编辑患者体内疾病相关体细胞的基因组,哪怕是针对难以触及的组织。

2021年4月7日,来自美国威斯康星大学的Krishanu Saha和麻省大学的Erik J. Sontheimer团队在Nature上在线发表题为“The NIH Somatic Cell Genome Editing program”的观点,介绍并讨论了SCGE联合会的计划——开发新方法以诱导和评估基因组编辑,并确定人类细胞中基因组编辑的下游功能后果;以一种严谨且创新的方法,通过对小动物和大型动物的第三方测试对技术进行验证;可视化SCGE工具包及其应用所产生的知识,以加速同行对各种疾病的新疗法的临床开发。
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基于体细胞基因编辑领域的现状,2017年,NIH与一系列利益相关者达成共识,该领域需要新的基因组编辑系统、传递系统和生物系统来衡量各种基因组编辑策略的安全性和有效性。2018年,SCGE联合会应运而生。

对于SCGE联合会而言,编辑生殖细胞以及体外细胞的方法都是被排除在他们的目标之外的,他们严格关注的是体细胞编辑。SCGE联合会对于体细胞的基因组编辑主要聚焦于两个方面,其一是以从细胞核内的DNA到细胞内其他地方的核酸(如线粒体DNA或细胞质中的RNA)为靶标的基因组编辑,其二是以产生染色质结构的靶向改变(包括重构、3D结构修饰、组蛋白或DNA的直接修饰),而不改变DNA或RNA序列为目标的表观基因组编辑(图1a)。SCGE联合会的首要目标是加速基因组编辑技术在广泛的组织和疾病中的应用,这其中一个关键挑战是使用通用指标和标准对各种技术进行比较,于是开发能够使各种技术和数据读取混合且匹配的方法被编入SCGE计划。毫无疑问,SCGE联合会的一个关键价值在于其透明度,与世界共享其研究成果,并且提供整合了一系列工具、试剂、方法和最佳实践的用于治疗性基因组编辑的SCGE工具包(图1b)以此来试图帮助世界减少开发新疗法所需的时间和成本。
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图1 用于编辑体内细胞基因组的工具
 
面对现阶段体细胞基因组编辑领域存在的问题,SCGE联合会倡议予以解决,其项目主要涉及三个方面:

第一,由于同源重组修复(HDR)在分化的、有丝分裂后的细胞中基本无效,目前无法简单而准确地将特定序列编入基因组中,这是广泛应用基因组编辑治疗遗传疾病的一个根本障碍。因此,探索实现序列特异性改变的新技术是SCGE联合会项目的一部分。虽然SCGE的大部分研究集中在已经广泛使用的CRISPR系统(SpyCas9)以及其他已建立的Cas9和Cas12a同源物上,但是其也在继续寻找和测试新系统和相关工具,开发和改进技术平台,如新的CRISPR-Cas系统、碱基编辑和引物编辑。此外SCGE还在探索与CRISPR-Cas相关系统在传递潜力及引发的生物或免疫反应方面存在差异的可替代的不同编辑系统(图2)
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图2 新的基因组编辑系统
 
第二,基因编辑疗法发展的最大障碍是建立安全有效的给药策略。理想的给药系统应该能将所需的大分子组分跨细胞边界输送到细胞核中;能够诱导对治疗有用的编辑水平;适于效率高、可复制和可扩展的生产;针对特定细胞类型;并且毒性、遗传毒性和免疫原性的阈值处于可接受范围内。目前许多为基因治疗而开发的载体(通常侧重于长期表达以弥补遗传缺陷)并不一定是基因编辑的最佳载体。而且最常用的编辑体系的给药还存在其他困难,如尺寸大、重复序列、需要同时传递异二聚体的两种成分以及需要传递核糖核蛋白复合体等。此外,基因编辑的传递仍有在不适当的组织中发生在靶或脱靶效应的风险。基于此,SCGE联合会开展了20个不同的项目,以探索将基因组编辑机制传递到体内特定组织类型的新方法。例如,对现有的病毒载体增强其组织靶向能力,使低剂量的高疗效成为可能;纳米颗粒被分子增强以驱动细胞类型特异性结合,产生强大的归巢系统,可以通过静脉注射或局部注射等等。

第三,由于对每一个编辑过的细胞进行非破坏性全基因组测序几乎不可能完成,加之深度测序技术受到PCR技术的限制(如偏差、灵敏度、读取长度、错误率),所有现有的编辑方法都是不完整的。此外,还存在着动物模型无法完全评估的脱靶效应、意外事件(如大片段删除和重排)、基因毒性等不良反应。因此,开发出能够提高预测能力和灵敏度的检测意外基因组事件的方法,以及人类细胞和组织系统(如类器官),是SCGE计划的重要组成部分。

动物模型为生物体内传递系统提供了基本验证,也可以作为新疗法的试验场合不良反应(包括毒性和免疫原性)的检测系统。SCGE项目的目标之一是生成广泛适用于多种传递系统和编辑技术的体内报告系统,而与靶细胞或组织类型或待纠正的特定疾病无关。SCGE联合会内的小型和大型动物试验中心(分别为SATC和LATC)集中了动物模型方面的专业知识,以帮助研究人员评估野生型和报告动物模型中新给药制剂的效率、特异性和安全性。随着新模式生物的发展,新的非侵入性方法来测量相关结果也是必需的。SCGE联合会正在开发利用先进成像方法进行体内细胞跟踪的技术,这些工具将为量化基因编辑技术或基因编辑细胞的传递和随后的生物学结果提供强有力的方法组合。此外,为了检测和减少基因组编辑的非预期生物效应而发展的人类生物系统是SCGE联合会的一个主要焦点。所有项目都会尽可能使用人类原代细胞,当来自相关靶组织的原代细胞受到限制时,SCGE联合会的研究人员将会利用自我更新的人类细胞构建功能性三维类器官或微生理系统。

有计划的也好,自发的也罢,上述新的编辑技术、给药传递技术、体内报告系统和人类生物系统终将以多种方式进行重组和协同作用。每年SCGE联合会内部都会讨论合作方案来进行这种跨团队的综合项目。此外,为确保最高质量的数据、工具的互操作性和可复制性,SCGE联合会的传播和协调中心(DCC)充当通信枢纽,促进成员之间的协作,并构建平台,以实现SCGE项目资源和数据的共享,包括通过SCGE工具包。而为了使这些数据和工具标准化,SCGE联合会也正在与食品和药物管理局、国家标准与技术研究所(NIST)和国防高级研究计划局进行对接。

综上所述,随着对人类基因组的深入了解和生物工程能力的迅速提高,基因组编辑技术的临床转化出现了新的机遇。SCGE联合会的目标是开发新技术和调整现有工具,抓住机遇,定义和减轻安全风险,并将治疗性基因组编辑扩展到最具挑战性的体细胞组织环境中,推动基因组编辑领域向更广泛的人类治疗应用领域发展。

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