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《科学大家》专栏 | “修剪基因”:让人绝望的遗传病将被改写

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《科学大家》列| “修剪基因”:绝望的遗传病将被重写

产品|新浪科技《科学大家》,墨子沙龙

作者|邱子龙中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所研究员

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基因治疗与脑部疾病有什么关系?首先,我们需要了解基因是什么?基因存在于我们的细胞中。细胞中有30亿碱基对构成了我们所有的基因。这些基因编码我们皮肤,肌肉,心脏,大脑等所有组织和器官。每个人的基因都是父亲的一半,母亲的一半。许多疾病都是由基因突变引起的。我们称之为遗传病。有些疾病与父母的基因有关。他们中的一些人是没有这种基因的父母。它们是儿童的自发突变,被称为遗传性疾病。简而言之,它是由基因突变引起的疾病。

这种遗传性疾病的治疗通常非常麻烦,因为我们每个人的基因自出生以来就没有变化。我们如何改变它们?如果基因被打破,我们如何解决它们?这是我们想要研究的主题。

现在我们有办法解决让我们一步一步生病的基因。最新的基因修复工具称为CRISPR/Cas9。

强大的基因编辑工具CRISPR/Cas9是细菌抵御天敌的武器

基因编辑工具最初是由实验室的生物学家开发的,用于修饰DNA。它们是由聪明人设计的吗?完全没有。该工具的使用寿命为数亿年甚至数十亿年。它存在于细菌中,是细菌抵抗天敌的工具。细菌的天敌被称为噬菌体。细菌是细胞。噬菌体将捕获细胞并吃掉细胞,但细菌不会静止不动。我该怎么办?他们演变成一个非常复杂的系统。

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CRISPR/Cas9今天最强大的基因编辑工具,细菌对抗天敌噬菌体的原始武器

当噬菌体感染细菌时,它会将自己的DNA注入细菌,细菌利用该基因破坏宿主并完成其自身基因的复制。在这种情况下,细菌已经发展出一套非常强大的工具。细菌将记录噬菌体DNA,然后将噬菌体DNA复制到自己的基因组中。根据基因组的序列,设置一组与之匹配的RNA,并使用一组酶来切割噬菌体基因。

同样,当噬菌体第一次出现时,细菌首先被动地防御,但细菌会记住噬菌体的外观。当噬菌体回来时,就像人脸识别现在非常准确一样,细菌会读取先前存储的信息。取出它,生出一种大的DNA裂解酶,破坏入侵噬菌体的DNA。

说这太荒谬了,我们想不出来。

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基因武器由人类驯化CRISPR/Cas9

直到2012年,科学家才发现了这种工具,后来被科学家驯化了。可以设计细菌以识别噬菌体序列,从而可以将人类基因组中的任何位置用作假设噬菌体。科学家将这个系统设计成一个可以识别身体任何序列的工具。

该系统最初是由两位科学家Doudna和Charpentier发现的,他们获得了谷歌赞助的数百万美元突破奖。 2013年1月,科学家乔治丘奇和中国科学家张峰首次实现了对哺乳动物细胞中定点基因的编辑。这个工具(CRISPR/Cas)是有史以来最准确的基因编辑工具。

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基因组编辑时代始于2012年

面对遗传病,这套工具很精通!

编辑基因可以做什么?我们进行科学实验,从基因功能研究到转基因动物的制备,再到动物模型,都需要基因编辑工具,所以现在它已成为遗传(研究)科学家世界科学家不可或缺的工具。但更重要的是,该工具可用于修复可用于治疗遗传疾病的基因突变。

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例如,上面的图片称为DMD。中文名是Duchenne肌营养不良症。这是一种致命的遗传病。它是由基因突变引起的。这种疾病仅发生在男孩身上,因为发生了基因突变在X染色体上,女孩携带突变基因但不发病。

这种疾病的过程非常残酷。当孩子两三岁时,没有任何事情发生。肌肉中的肌肉逐渐积累有毒蛋白质,之后它们将失去所有的活动能力。肢体的肌肉不仅会缩小,而且负责呼吸的肌肉和负责心跳的肌肉也会慢慢缩小。突变基因影响身体所有肌肉的正常功能。最后,孩子只能在十几岁时跪在轮椅上。我可以想象患者可以在二十岁时存活并且会死于呼吸衰竭。

几十年来科学家一直在研究这种疾病,原因是基因突变导致肌肉中的蛋白质失去其功能。

下图显示了几位美国科学家在2015年对小鼠进行的实验。他们给小鼠提供了相同的基因突变,称为DMD小鼠模型。老鼠会瘫痪而且致命。他们用最新的基因编辑方法编辑了小鼠的基因。例如,这里有基因突变,基因序列成为终止码,读数不进行,蛋白质表达终止,现在转基因剪刀被称为外泌体,外显子被切断。有一个缺失的部分,但它仍然可以阅读。虽然这个基因不完整,但它仍然具有一些功能。

处理小鼠并存活。在这个实验中,我们第一次看到CRISPR/Cas是一种基因治疗工具,可能在小鼠体内获得成功。

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通过基因编辑处理DMD小鼠的第一个实验表明基因治疗可能在小鼠中成功

但它对人们有何影响?毕竟,小老鼠不是人类。如何将这种工具安全有效地转移到人体?这是一个非常困难的主题。科学家们已经努力了十多年,最近刚刚取得了突破。

科学家们以此类病毒为载体提供帮助,这种病毒仍然是大自然母亲的杰作。这种病毒被称为AAV:腺病毒相关病毒,一种不会使人生病的病毒。这种病毒中的基因已被科学家删除,只留下我们想留下的基因,或基因编辑的工具。所以现在你可以使用转基因病毒载体进行基因治疗。

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腺相关病毒作为基因载体的另一种可能性是“干细胞”治疗,科学家们一直在测试。 2015年,发表了一篇研究文章:下图是大约14岁。取出携带突变的儿童,在体外修复基因编辑,然后将肌细胞转化为多能干细胞,然后分化成正常肌细胞。那么你可以将他修复过的肌肉细胞放入体内吗?帮助他锻炼正常的肌肉功能也是一个非常有前景的领域。

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Gavriel Rosenfeld

但这项工作仍在进行中。这些孩子在2015年14岁,今年18岁。他们已经成年了。他的病情每天都在恶化,那么有没有办法立即扭转病情?我们现在可以使用AAV基因载体工具加载一个小版本的基因来治疗他。

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十年前,没有遗传编辑。科学家提出了另一种直接给患者正常DMD基因的方法。两位学术教授是北卡罗来纳大学教堂山分校专门研究病毒的教授,一位是Samulski,另一位是他的第一位博士生肖晓。老师和学生最初研究如何找到病毒携带者并研究病毒的生物学。后来,他们发现病毒可以作为治疗疾病的载体,因此他们以病毒为载体,看看他们是否可以治疗DMD。

2014年,他们共同建立了Bamboo Therapeutics Gene Therapy,该疗法使用AAV作为治疗DMD的载体。 2014年,他们证明AAV病毒对人类安全有效,不会引起疾病。但是如何将DMD基因转运到人体中仍然存在问题。它是人类中最大的基因。对于这样大的基因,病毒载体是有限的并且不能加载。怎么做,他们把DMD基因变成了简化版本,为了知道管子不起作用,他们探索了十多年,在老鼠身上,甚至是出生于DMD疾病的狗,狗的DMD愈合。最令人兴奋的是,经过十年安全有效的实验,他们终于有机会尝试人。

基因治疗显着改善DMD患者的身体状况

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基因治疗的效果 - 杜氏肌营养不良症

它可以在Facebook上找到,这是一个参与他们在美国的临床实验的孩子。

左边第一个是治疗前。这孩子大约五六岁。由于他的肌肉开始出现病变,他很难爬上台阶。

第二个是在治疗1.5个月后,将装有正常名义版DMD基因的AAV注射到他的肌肉中以帮助他恢复其功能。治疗1.5个月后,它好多了?我们都觉得很奇怪,人们的工作能这么快吗?因为他给了一个基因,从DNA到RNA进入蛋白质,还进入了肌肉组织。

图3是他三个月大的美国棒球场。他的父亲带他去看棒球。他出汗很多,因为他爬了很多台阶,可以看到他顺利地爬上台阶。

图4是四个月,他实际上可以在水中游泳,他可以配合全身的肌肉在水中游泳。最后,我看到他在六个月内在丛林中奔跑。在如此复杂的环境中,他像一个普通的孩子一样奔跑。

这是第一个使用Samulski教授和肖晓教授的AAV-miniDMD方法成功进行基因治疗。 2016年,Bamboo被美国最大的制药公司以6.45亿美元收购,然后进行了更大规模的临床试验。

这是第一个成功的例子,还有一个更令人兴奋的例子。 DMD是全身的肌肉疾病。肌肉治疗相对容易。真正困难的是脑部疾病。

科学家在面对更加困难的脑部疾病时应该做些什么?

脑疾病是神经问题,是整个身体的神经,从大脑到每个内脏和四肢。神经性脑病可以用基因疗法治疗吗?这两年非常好的消息。有一种称为脊髓性肌萎缩症(SMA)的神经系统疾病,它是由神经细胞突变导致神经末梢缓慢萎缩引起的,所以就像蝎子一样。

该药物已成功开发并已在市场上销售,并且该疾病也在遗传上进行治疗。 SMA的发病率是万分之一,这被认为是一种罕见的疾病,但在中国,有很多患者。由于该基因病了,因此没有有效的治疗方法。现在有这样一种方法来修复患病基因并治愈疾病。

第一种有效的方法是由美国最大的生物技术公司Biogen开发的。在下图中,人体是所有神经,它们是神经末梢。怎么治好呢?他们知道哪些基因被打破了。他们使用反义核苷酸沉默破坏的基因,即在不改变基因的情况下关闭破碎的基因。

但令人兴奋的是,这种方法非常有效,可以治愈这种绝症。该疗法于2016年获得FDA批准。该药物需要击中脊髓并沿人体脑脊液向神经系统发挥作用。 FDA批准意味着它已获得安全性和有效性认证。这是沉默基因的一种非常有效的方法,并且没有修复基因。

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两家公司开发SMA基因治疗药物

另一家小公司Avexis使用AAV方法在全身传递正常基因,如DMD。这种方法很难,因为神经系统不像肌肉,可以肌肉注射,大脑治疗很困难。它需要AAV像导弹一样进入大脑。他们得到了初步的临床试验结果,发现结果非常好并且持续了很长时间。

在2018年业内一个重大新闻,制药巨头诺华花费87亿美元收购该公司。大型制药公司认为新药已经出现,基因治疗药物确实可行。

我告诉过你这些疾病,我们团队的努力是眼疾。事实上,美国和欧洲的研究领先于我们。毕竟,我们有点落后了。

最新的用于基因治疗的眼科药物(AAV方法)在美国上市。眼科疾病的发生是因为视网膜缓慢发生突变。三年前,我们与中国科学技术大学薛天教授合作,开发了一种基因编辑和修复突变的新方法。我们能用基因编辑方法真正修复基因吗?许多人都使用这种基因编辑器,但没有人做任何修复体内突变的工作。

我们希望做原始创新并做别人没做过的事情。在下图的右侧是我回到中国后的第一位博士生程天林博士。我毕业了三四年。他想设计一些基于基因编辑的突变修复方法。他设计的方法比较复杂,本文即将发布。我们的想法是我们是否可以安装定向导弹来修理它。我们用这种方法,在雪天的实验中,击中了盲鼠的视网膜。这是携带视网膜基因突变的模型小鼠(见下图)。突变后,蛋白质消失,视网膜失明。利用原位精确修复的方法,可以看出A变为C,并且读取最初停止的蛋白质。该方法修复了蛋白质基因的突变并拯救了蛋白质。小鼠获救后能恢复光照吗?这是我们不知道的。

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如何完美修复基因突变?

我们对视网膜进行了反射测试。正常的视网膜照亮眩光,瞳孔收缩,失明不会缩小。修复后,瞳孔开始产生光反应,表明基因修复后,蛋白质开始起作用,眼睛开始慢慢过敏。它还发现视网膜定位的功能被缓慢修复。两年多后,小老鼠恢复了光明。修复失明的过程并不完美,但让它慢慢恢复光线。这是第一步,取出从0到1的第一步。

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基因治疗的未来

上图是我们取得的所有进展,非常令人兴奋。我刚提到的疾病都是绝症,但市场上已有许多基因药物。血友病正在进行II期临床试验,地中海贫血正在进行临床试验,帕金森也正在进行II期临床试验。我们已经看到在接下来的三到五年内即将推出大量基因治疗药物。我们也希望更多的基因治疗药物在中国有更多的临床试验,使中国患者受益。

注:本文由邱子龙先生在墨子沙龙的演讲中组织。

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