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CRISPR又有新用场了!这或许是唐氏综合征患者的福音

鬼谷藏龙 发表于  2017-12-04 23:11

中科院神经所的博士后左二伟可能从没想过,自己一个无心插柳的实验竟能带来如此不可思议的收获。

时光回溯到2015年四月,当时的左博士正在研究如何利用刚问世不久的CRISPR技术敲除小鼠Y染色体中的基因。Y染色体非常特殊,传统技术对敲掉它的基因无能为力,而左博士希望新技术可以帮助他突破这个瓶颈——逐一敲除Y染色体中的基因,以便理解这些基因各自的功能

结果非常喜人,CRISPR果然能高效地敲除小鼠受精卵中Y染色体上的基因。有的基因被敲除之后能让小鼠出现弱精症,有的则会令小鼠生殖器发育不良,一切都很顺利,实验结果也基本能和前人的研究对得上号[1-2]

敲到最后,Y染色体上只剩下三个还不曾尝试敲除过的基因——Ssty1、Ssty2和Rbmy。然而,就在敲除这三个基因的时候,发生了很诡异的事情。

简单来说,这三个Y染色体基因无论敲除哪一个,都好像会让小鼠“变性”——生下来全成了雌的。虽然科学家对这几个基因了解还不多,不过一般认为,它们也就能稍微调节一下雄性的生育力而已,再怎样也不至于让小鼠变成“女装大佬”呀。

跟导师讨论了一番后,一个有点离经叛道的想法冒了出来:

Y染色体该不会整个都没了吧……

左博士立刻着手做了一系列检测。果不其然,那些变性的小鼠的性染色体只剩下了孤零零的一条X染色体,Y染色体全都找不到了!

人类有时候也会出现性染色体只剩下一条孤独的X染色体的情况,这在医学上称为“特纳氏综合征”。这类患者出生时有着女性的外表,但是不会发育出第二性征,更不能生育,基本可以视为无性人。而小鼠与人类的情况则稍有所不同,只有一条单独X染色体的小鼠和正常雌性小鼠(有两条X染色体)基本没啥不同,一样可以发育和生殖。

只有一条单独X染色体的小鼠(左侧标XO者)和正常雌性小鼠(右侧标XX者)都有正常的雌性外生殖器(绿色箭头)和乳头(红色箭头)。图片来源:参考文献[3]

为啥敲除这三个基因能让整个Y染色体都跟着陪葬呢?左博士想到了这三个基因的一种非常奇怪的特征。

无论是人类还是小鼠的大部分基因都只有一份拷贝,存放在染色体的某个特定的位置上,而Ssty1、Ssty2、Rbmy这三个基因则不一样,它们有很多拷贝,均匀地散布在整条Y染色体当中。敲除基因的时候,CRISPR就像是基因精确制导导弹,对于一般的基因来说,定点打击,破坏掉目标基因便大功告成了。但是对于Ssty1之类的多拷贝基因,情况就不同了。CRISPR会无差别地打击Y染色体上这些基因的每一个拷贝。染色体就像是一座房子,你在墙上打一个洞,修修补补也能恢复如初,但要是你把这房子直接打成个筛子,那它就只有垮掉的份了。遭受重创的染色体也很难在如此严重的破坏中恢复过来,只能被细胞当成垃圾清理掉。所以,整个Y染色体都没了。

对拥有XY染色体的细胞(XY),可以用DNA-FISH技术给X染色体打上红色标记,Y染色体打上绿色标记,成功敲除Y染色体的细胞(XO)当中Y染色体不复存在了。图片来源:参考文献[3]

左博士突然意识到,人类似乎还从未想过能在细胞中“删除”一整条染色体。这下,想不搞个大新闻也不行了。

科学家嘛,总得跑得比所有人都快才行。在接下去的一段时间里,左博士几乎到了茶饭不思的地步,甚至曾连续三个星期寸步不离实验室,饿了就托人给他买个饼吃,困了就趴桌子上打个盹。

左博士首先要搞清楚的问题是,这样的手段是只能敲除Y染色体呢,还是什么染色体都能敲。毕竟,Y染色体个头最小,而且缺乏自我修复机制,别的防高血厚的染色体可不见得吃这一套呀。于是,左博士先拿另一条性染色体——X染色体——试了试水。果然,也没问题。

那接下来,就要考虑些实在的东西了。

大家可能听说过一种叫做“唐氏综合征”的疾病。这种疾病还有一个名字,叫做“21-三体综合征”。什么意思呢?一般人只有两条21号染色体,而唐氏综合征患者细胞中有三条,多了一条21号染色体。唐氏综合征是造成新生儿染色体异常疾病中最多见的一种,发生率高达1/600 – 1/800。唐氏综合征患者智力低下,且常常合并心脏畸形、唇腭裂等,给家庭和社会都会造成不小的负担。

唐氏综合征患者智力低下,且常常合并心脏畸形、唇腭裂等,给家庭和社会都会造成不小的负担。图片来源:wikipedia | 摄影:Vanellus Foto

目前常规的产前检查项目在预防唐氏综合征方面,主要以抽血检测“唐氏筛查”为主。对于结果异常或存在其他高危因素的孕妇再进一步进行“羊水穿刺”。然而,唐氏筛查的准确率只有60% - 70%,这意味着即便做了规范的产前检查,依然有很多患有唐氏综合征的胎儿不会被检出,以至于孕中晚期胎死宫内,或者最终生出有缺陷的孩子来[4]。“羊水穿刺”虽然准确率高,但也存在感染、羊水泄漏,甚至诱发流产等风险[5]

那能不能直接用CRISPR敲掉“唐氏综合征”患者那条“多余”的21号染色体呢?

为了验证这个想法,左博士找来了唐氏综合征患者的细胞,将它们养在培养皿里。他将自己设计的敲除21号染色体的CRISPR系统转入这些细胞中,果不其然,经过一段时间的培养和筛选后,这些细胞的21号染色体数量逐渐恢复了正常。

在体外培养的人类唐氏综合征细胞(左图)中,所有细胞都是三个21号染色体(,绿色箭头标记)经过染色体敲除后,大部分细胞都只剩下了两个21号染色体(右图)。图片来源:参考文献[3]

 更妙的是,左博士所设计的染色体敲除系统不但高效便捷,而且还“短小精悍”,可以包装到诸如腺相关病毒(AAV)之类的病毒递送系统里。病毒就是自然界天然的“基因快递小哥”,可以把基因投送到动物的细胞内。因此,理论上,这套CRISPR染色体敲除系统完全可以用来纠正已经出生的“唐氏综合征”患儿的21号染色体数量。目前,左博士所在的杨辉实验室就正在全力以赴,攻克治疗唐氏综合征的难关。

不过话理论设想虽如此,前方的道路依然充满了艰辛,还有很多困难亟待解决。之前的Y染色体在动物体内独一无二,下狠手去敲就是了。但“唐氏综合征”患者的三条21号染色体长得基本一样,用力过猛就难保矫枉过正,把三条都给搞没了,岂不是治病不成还反要了人命么。

左博士和同事们(也包括我)也正试图解决这个“特异性”的问题。人体内的两组染色体一组来自父亲,一组来自母亲,正常情况下,父母的基因是有一定差别的,因此分别来自父母的两条21号染色体也应该有一定的差别。我们正是从这点着手,试图设计出能够专门针对某一条21号染色体的敲除方案。

说实在的,这是我加入到杨辉实验室以来所见过的最“难产”的论文——不但是科研本身几乎就是整个团队在燃烧生命,后期历时一年半有余的投稿过程更是一言难尽。最终,这项凝聚着无数人期盼的工作也没有发到大家心仪的期刊上,那种失望之情至今记忆尤深。然而后来,这项研究受到媒体关注后,有一些“唐氏综合征”患儿的家长给课题组发来邮件,说这项研究又让他们重新燃起了希望。我们突然感受到了这一切的意义。

 人生能有多少回奋斗,有幸能用辛劳让世界稍微变得更好一点点,为那么一小群人点燃一点点微薄的希望。挺好,挺好。(编辑:明天)

感谢飞刀断雨对本文的帮助。

参考资料:

  1. Zuo, E., Cai, Y. J., Li, K., Wei, Y., Wang, B. A., Sun, Y., ... & Hui, Y. One-step generation of complete gene knockout mice and monkeys by CRISPR/Cas9-mediated gene editing with multiple sgRNAs. Cell Research, 2017 Jul;27(7):933-945.
  2. Wang, H., Hu, Y. C., Markoulaki, S., Welstead, G. G., Cheng, A. W., Shivalila, C. S., ... & Page, D. C.. TALEN-mediated editing of the mouse Y chromosome. Nature biotechnology, 2013 31(6), 530-532.
  3. Zuo, E., Huo, X., Yao, X., Hu, X., Sun, Y., Yin, J., ... & Hui, Y. (2017). CRISPR/Cas9-mediated targeted chromosome elimination. Genome Biology, 18, 224.
  4. 谢幸, 苟文丽, 妇产科学第八版
  5. 陆海燕, 郑建丽, 陆晶晶, 施宁, 姚水生, 管永娟, 杨芳芳, 许孟军. 孕中期产前筛查与羊水染色体产前诊断结果与分析[J]. 中国优生与遗传杂志, 2016, 24(5): 55-56

热门评论

  • 2017-12-05 08:21 大头米少

    不知道这最后会走到哪一步,但这第一步已是个里程碑

    [7] 评论
  • 2017-12-05 14:42 驭龙氏

    敲除Y染色体,X染色体额外复制一次,把这个细胞克隆成独立个体

    恭喜,和你在遗传学上特异性对应的女性诞生了

    [5] 评论

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全部评论(16)
  • 1楼
    2017-12-05 07:43 q68257962

    上次见这个词的时候好像是说张锋读书的时候发明的方法?

    [0] 评论
  • 2楼
    2017-12-05 08:21 大头米少

    不知道这最后会走到哪一步,但这第一步已是个里程碑

    [7] 评论
  • 3楼
    2017-12-05 14:42 驭龙氏

    敲除Y染色体,X染色体额外复制一次,把这个细胞克隆成独立个体

    恭喜,和你在遗传学上特异性对应的女性诞生了

    [5] 评论
  • 4楼
    2017-12-05 15:04 天降龙虾

    俺好像看到了4条21号染色体??????

    [0] 评论
  • 5楼
    2017-12-05 16:16 汉尼拔wang

    不知道民间“伦理”爱好者会不会反对这种“违反”自然的方法......

    [0] 评论
  • 6楼
    2017-12-06 06:58 CBP
    引用@驭龙氏 的话:敲除Y染色体,X染色体额外复制一次,把这个细胞克隆成独立个体恭喜,和你在遗传学上特异性对应的女性诞生了

    那她X染色体上的隐性基因岂不都是双隐性表达了,遗传病发病率暴增啊,怕是长不大.

    [0] 评论
  • 7楼
    2017-12-06 09:22 总丢密码的疯和尚

    太有意思了,恭喜作者能参与到这么有趣的研究中去

    [2] 评论
  • 8楼
    2017-12-06 18:17 地球上的裸猿

    中科院神经所的左二伟博士想要敲除Y染色体上的基因,却发现不小心敲掉了整个Y染色体……

    =========

    不知道是怎么去敲掉的

    [0] 评论
  • 9楼
    2017-12-07 16:29 驭龙氏
    引用@CBP 的话:那她X染色体上的隐性基因岂不都是双隐性表达了,遗传病发病率暴增啊,怕是长不大.

    本来XY同源的基因数量就有限,X连锁的本来也会爆发,小幅提高风险吧,不用太担心你的另一半啦

    [0] 评论
  • 10楼
    2017-12-09 17:10 舞之流云

    话说这个完善出来也只是处理受精卵最开始的细胞,那和直接做试管婴儿有区别?

    [1] 评论
  • 11楼
    2017-12-10 02:20 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@舞之流云 的话:话说这个完善出来也只是处理受精卵最开始的细胞,那和直接做试管婴儿有区别?

    我们正在研究出生后治疗的方法。

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-12-10 13:01 舞之流云
    引用@鬼谷藏龙 的话:我们正在研究出生后治疗的方法。

    可以达成直接大量改造活体的细胞基因么?真的能实现恐怕会产生变革世界的影响……

    不过话说会来还是在受精卵阶段筛掉或者处理好来得更现实吧。

    [0] 评论
  • 13楼
    2017-12-14 14:48 西瓜达

    只有一句鼓励胜过千言万语,加油!

    [0] 评论
  • 14楼
    2018-01-03 14:38 abiao_47231

    发育过程基本已经结束了,再修复基因还有用吗

    [0] 评论
  • 15楼
    2018-05-27 13:40 周大小

    [blockquote]引用@abiao_47231 的话:发育过程基本已经结束了,再修复基因还有用吗 [/blockquote] 认真看文中的表达哦。急用病毒式的基因敲出,理论上可以全部敲除的。不过也仅是理论上。我们这些普通老百姓看不出疑点的,要实在参与实验的科学家才知道难点在哪里。希望基因工程能在未来真正服务于人类。加油!!!

    [0] 评论
  • 16楼
    2018-06-29 19:49 安琪儿2018

    我现在怀的就是唐氏儿,已经感觉明显胎动了,很舍不得打掉,如果现在就有改变基因的技术多好,希望你们早日成功,唐氏儿不用给别人歧视不再给家庭和社会负担

    [0] 评论

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