当曼哈顿计划(Manhattan Project)背后的科学家们听说广岛和长崎遭到毁灭后,他们先前的兴奋逐渐变成了忧郁的遗憾。最初的物理革命已经演变成大规模杀伤性武器——没有可行的“关闭开关”来削弱它的力量。

生物学,CRISPR拥有与核武器同等的破坏力。科学家们不愿意让历史重演。

仅仅五年之后CRISPR的发现美国国防部高级研究计划局发起了安全的基因程序:七位世界领先的基因编辑专家的合作,以找到CRISPR的多种解药,并改善其在时间和空间上的编辑特异性。188体育365

关键不是要激起公众对这一强大工具的恐惧;更确切地说,是要长远地观察潜在的危险,并找到预防措施或对策。如果CRISPR是生物学上的潘多拉盒子,那么它已经被打开了:在临床中,CRISPR已经进入人体试验;在实验室里,这项技术被锻造成基因驱动它有可能使整个物种灭绝。安全基因项目的目标是找到一种或多种方法,再次关上这个盒子。

上周,对CRISPR解药的研究变得更加激烈。麻省理工学院布罗德研究所的阿米特·乔杜里博士是安全基因组织的成员,他领导的一个团队,开发了“筛选”平台用于快速筛选超过10万种降低Cas9剪刀活性的小化学物质。

该团队调整了几个有希望的候选人的结构,以进一步提高它们的防克隆力,产生两种解毒分子,防止CAS9与其DNA靶标进行结合并切割其DNA靶标。当在培养皿中的人体细胞上测试时,分子漂浮在细胞膜中并在分钟内可靠地杀死CrispRPR活性。

这些药物是非常早期的候选基因——见鬼,它们的毒性甚至可能比在体内肆虐的CRISPR更大。科学家们将不得不在动物身上进行试验,以进一步评估它们的有效性和安全性。

但是小型的抗CRISPR药物,我们最早的一些,为CRISPR巨人提供了概念证明可以被停止。随着药物筛选平台的建立,人们将会发现更强大的“撤销”按钮:有一天,这些化学物质可能会变成针剂或药丸,在医学或生物武器领域阻止不必要的基因编辑活动(这是一个可怕的想法!)

Choudhary说:“这些结果为精确控制CRISPR-Cas9活性奠定了基础,使这些技术能够安全使用。”

外面已经有什么了?

乔杜里并不是安全基因团队中唯一一个寻找反crispr分子的人。

早在2013年,项目的另一名成员、加州大学旧金山分校的约瑟夫·邦迪-德派(Joseph Bondy-Denomy)博士就提供了帮助发现了第一批抗crispr药物:大而笨重的蛋白质,阻止Cas9剪刀识别或与DNA分子结合。他的天才想法是回到CRISPR的自然根源,作为细菌免疫防御系统对抗病毒。

简而言之,CRISPR可以让细菌在自己的基因组中存储病毒DNA的“面部照片”,这样当病毒再次攻击时,它的Cas剪刀可以把病毒撕成碎片。然而,噬菌体并不是活靶子。在一场进化的军备竞赛中,它们还获得了制造反crispr蛋白的基因,以对抗细菌的免疫防御。

2012年,Bondy-Denomy研究了噬菌体抗crispr生物学发现了几种新的蛋白质广泛抑制Cas12a的活性,Cas9作为一种诊断工具越来越受欢迎。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)博士是CRISPR最初的发现者之一,也是项目团队的成员追捕一些cas12a杀手阻止了培养的人类细胞的基因编辑活动。

结果表明,当时的Doudna表示,“发现许多抗克里克斯人的直接途径”。

漂亮的灯

然而,在现实世界中,反crispr蛋白制造了蹩脚的“杀死开关”。

蛋白质是很困难的:它们又大又笨重,所以它们不能渗透到细胞中,也不能粘附在CRISPR机制上。它们对温度变化和消化很敏感,在体内维持不了多久。许多细菌会成为我们免疫系统的猎物,这可能会引发恼人的——如果不是危险的——过敏反应。

一般来说,小分子没有这些问题。它们见效快,制造成本低,而且它们的影响是可逆的。不想抑制CRISPR?就等着分子被洗掉。但要找到有效的方法却异常困难。

这就是乔杜里的新筛查平台发挥作用的地方。

这个高通量系统通过两种测试对数万种化学物质进行筛选,以寻找有希望的化学物质。首先,它利用霓虹灯监测与Cas9剪刀结合的DNA片段。在这里,DNA被标记为荧光“灯泡”,它与Cas9结合后改变其偏振,就像偏光太阳镜改变我们对阳光的感知一样。这使得研究小组能够快速监测一个分子是否破坏了Cas9-DNA的结合。

第二,该系统使用了自动显微镜,观察细胞的荧光信号,无论是获得或失去Cas9活性。例如,在一项实验中,研究小组使用了通常发出绿色光的细胞,除非Cas9切断了基因。一种潜在的抗CRISPR药物将使细胞保持绿色,即使使用了CRISPR机制。

通过这些分析,加上一些好的化学成分,研究小组发现了一种名为BRD0539的分子,它可以阻止Cas9与目标DNA序列结合。这种药物的作用是完全可以预测的:剂量越高,对CRISPR活性的抑制作用就越强。

这一结果对于在治疗环境中降低CRISPR的副作用非常有帮助。在细胞中,一剂量的药物能迅速将Cas9的切割能力降低约一半,这反过来又降低了Cas9的脱靶剪切能力HBB一种与镰状细胞病有关的基因

不难想象,在未来,你可以服用由brd0539或更有效的下一代类似物制成的药片,在CRISPR在你体内失控之前,暂时降低或停止CRISPR活动。这种药物是一种小分子,在你的血液中保持稳定,很容易穿透你的细胞,在CRISPR过于强大时起到刹车的作用。

与关注慢性病的初创公司合作如心脏病作为CRISPR干预的下一个目标,一个简单的终止开关变得越来越必要。

CTRL + Z

小分子解毒剂并不是驯服CRISPR的唯一方法。

“安全基因”项目也在关注CRISPR工具的初步设计,将其作为一种从本质上限制其效果的方法:研究团队现在正在设计方法,将工具对准特定的组织,而不是拥有一个永远开启的CRISPR。如果一个强大的基因编辑器不能到达正确的位置,它就完全没用;杜德纳和其他人正在开发新的策略,以便在正确的时间将编辑器和抑制剂送到它们需要的地方。

其他成员,包括麻省理工学院的凯文·埃斯维尔特博士和北卡罗莱纳州立大学的约翰·戈德温博士,正在努力研究利用基因驱动来控制啮齿动物。最近,埃斯维尔特和团队成员、哈佛大学的乔治·丘奇(George Church)博士介绍了一种对CRISPR基因驱动的“菊花链”组件的方法,可以防止编辑像野火一样在人群中传播,并破坏我们脆弱的生态系统。

最终,该项目希望找到生物上的“ctrl+Z”:从我们的环境中去除工程基因,让生物圈回到基线。这是一个宏伟的目标,相当于扭转核武器对我们世界的毁灭性影响。

CRISPR进入医学,生物圈,我们的遗传继承只会加速。凭借更多的用法,还有更多的灾难性失败 - 以及从根本上改变我们的世界的机会更好。

“与所有强大的功能一样,社会能够也应该权衡负责任地使用这些工具的风险和优点,”安全基因项目经理蕾妮·韦格津(Renee Wegrzyn)说。“基因编辑确实是一种很难在伦理和纯技术发展之间划清界限的情况,它们是不可分割的,我们希望我们在安全基因方面建立的模型将指导这一领域的未来研究工作。”

图片来源:vrx/Shutterstock.com

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在英属哥伦比亚大学完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她前往加州大学旧金山分校研究血液因子,以恢复衰老的大脑活力。她是…

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