利用纳米磁铁对体内CRISPR/Cas9基因组编辑进行空间控制

2018-11-21 绿谷生物 Nature Biomedical Engineering
浏览

在自然界中,CRISPR/Cas9通过记录入侵者的DNA来增强细菌的免疫防御。这让细菌能够识别和攻击再次到来的相同入侵者,但是科学家们一直在竞相改进基因组编辑工具CRISPR/Cas9来修复导致遗传疾病的突变并在实验室实验中操纵DNA。

如果科学家们能够将这种基因组编辑工具运送到体内正确的细胞中,那么它有潜力阻止遗传疾病。然而,障碍仍然存在,特别是在高效率地运送CRISPR/Cas9方面。人们需要在体内对细胞进行基因编辑以便治疗镰状细胞性贫血、肌营养不良和囊性纤维化等疾病。但是通过空间控制将CRISPR/Cas9运送到体内靶组织中仍然是一项重大挑战。即便在体内局部注射携带着CRISPR/Cas9编码基因的病毒载体,它也可能渗漏到其他的组织和器官中,这可能是非常危险的。

在一项新的研究中,美国莱斯大学生物工程师Gang Bao及其团队将磁性纳米颗粒与一种从苜蓿环纹夜蛾(Autographa californica, 一种原产于北美洲的蛾类物种)体内获得的病毒相结合开发出一种运送载体来运送CRISPR/Cas9,从而通过空间控制对特定组织或器官中的基因进行修饰。相关研究结果于2018年11月12日在线发表在Nature Biomedical Engineering期刊上,论文标题为“Spatial control of in vivo CRISPR–Cas9 genome editing via nanomagnets”。

图片来自Laboratory of Biomolecular Engineering and Nanomedicine/Rice University。


源自这种病毒的圆柱形杆状病毒载体(baculovirus vector, BV)被认为足够大,它的直径高达60nm,长度高达200~300纳米。这种大小足够运送长38000多个碱基对的DNA。

这些研究人员仅在需要时利用磁性纳米颗粒激活这种杆状病毒载体并运送用于基因编辑的有效载荷。为了做到这一点,他们使用了一种名为C3的免疫系统蛋白,其中,在正常情形下,蛋白C3让杆状病毒灭活。

Bao说,“如果我们将杆状病毒载体与磁性纳米颗粒结合在一起,那么我们就能够通过施加磁场来克服这种失活。好处在于当我们提供这种杆状病毒载体时,基因编辑仅发生在我们施加磁场的组织或它的一部分中。”

施加磁场允许杆状病毒载体转导,即一种将有效载荷引入到靶细胞中的过程。这种有效载荷也是DNA,它编码一种报告基因和CRISPR/Cas9系统。

在测试中,杆状病毒载体携带着绿色荧光蛋白或萤火虫荧光素酶。具有这种蛋白的细胞在显微镜下明亮地发光,并且实验表明在细胞培养物和实验室动物中,利用磁铁高效地靶向运送携带着有效载荷的杆状病毒载体。

Bao指出,他的实验室和其他的实验室正在研究利用腺相关病毒(AAV)运送CRISPR/Cas9,但是他表示杆状病毒载体的治疗性有效载荷比AAV大约大8倍。他说,“然而,有必要让杆状病毒载体更高效地转导到靶细胞中。” 

参考资料:

Haibao Zhu, Linlin Zhang, Sheng Tong et al. Spatial control of in vivo CRISPR–Cas9 genome editing via nanomagnets. Nature Biomedical Engineering, Published Online: 12 November 2018, doi:10.1038/s41551-018-0318-7.