CRISPR 新玩法,科學家直接改變細胞運作程式幫細胞「轉行」

作者 | 發布日期 2016 年 09 月 03 日 0:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly
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來自美國杜克大學的研究者們研究出一種新的方式,可以不必使用加入額外的基因片段來改變細胞特性,而是直接用 CRISPR 基因工程技術,將本來就存在於基因組上的基因片段活化,以此達成改變細胞功能的作用。



自從 2006 年京都大學再生醫學研究所(Institute for Frontier Medical Sciences, Kyoto University)山中伸彌教授發現了纖維組織母細胞(fibroblast,一種成人結締組織細胞)轉變回尚未成熟還未分化成幹細胞的方法,創造了誘導性多功能幹細胞(iPS 細胞)。這項研究很快的受到重視,也讓山中伸彌教授在僅僅 6 年後就獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。

在此之後,各方研究者發現了許多方法使兩種不同形式功能的細胞能夠互相轉換。它們的原理大多是利用加入扮演類似「主控開關」功能的基因片段,這些片段能夠開啟特定種類的細胞中一系列的基因,並生產該類細胞所需的蛋白質。

在這項於今年 8 月 11 日發表於科學期刊 Cell Stem Cell 的研究中,科學家運用革命性的基因工程科技 CRISPR,將從小鼠分離出來的結締組織直接轉變成神經細胞。透過這樣的方法所製造的神經細胞,比先前用加入基因片段方式得到的神經細胞,能夠擁有更完整而穩定的特性。這些神經細胞還可以做為研究神經失調的材料,用於研究新的療法,並且發展個人化的醫學療程,除此之外,細胞治療也是未來可能的運用之一。

這項技術由杜克大學生物分子及組織工程學 Charles Gersbach 助理教授(見首圖)所帶領的研究團隊研發,在許多領域都有運用的潛力。例如當科學家需要對某藥物進行研究,雖然已經知道大多數的人的神經細胞對於該藥物會有特定的反應,但每個人體內究竟是哪種神經細胞中的哪些基因會對藥物有什麼樣的反應,這類型的研究就會需要這項技術,畢竟直接使用動物甚至人類的腦部做活組織切片,肯定是不可行的,但如果是從人的手臂上取皮膚的細胞,將皮膚細胞利用 CRISPR 技術轉變成神經細胞,再經由各種藥物合併處理,科學家就能夠為需要的人製作個人化的藥物療程。

 

用 CRISPR 打破原先發育生物學的不可逆細胞分化狀態

在 1950 年代,英國的發育生物學家 Conrad Waddington 所提出的想法,為往後的發育生物學打下基礎。未成熟的幹細胞能夠分化成特定種類的成熟細胞,分化的過程就像將重物從山頂上沿著陡坡滾下,物體可以滾落到任何一個山谷之後停留在凹處。而細胞在選擇特定路線開始分化之後,就像物體沿著某一面山壁滾落,終點必定是該路線的末端低地,是沒有辦法臨時改變路徑的。

Gersbach 表示,如果想要改變以分化成熟細胞的既有功能以及角色,其中一個辦法就是將該細胞推回山頂,也就是原本幹細胞的狀態,誘導性多功能幹細胞(iPS 細胞)的概念便是如此。但除了把細胞變回幹細胞的狀態之外,另一個方法就是把細胞的狀態推上側邊的山坡,不經過原先幹細胞的狀態,而是直接水平的移到旁邊的山谷裡。

在先前的研究中,CRISPR 基因編輯技術的運用通常需要透過病毒攜帶 CRISPR 所需的分子工具,並將之帶入生物體內,進而能夠在生物體內生產大量的轉錄因子蛋白質。藉由轉錄因子的特性在不同種類的細胞內分別和基因組內上千個位置結合,進而來開啟細胞內特定的相關基因。

 

一聲令下,自行讓細胞轉變成另一種細胞

研究團隊運用 CRISPR 技術,準確地活化 3 個幫助天然神經細胞產生轉錄因子的基因,打破了以往用病毒將大量複製的基因片段送入細胞的慣例。研究團隊中的研究生 Joshua Black 表示,以病毒運送某段細胞本來就有的片段進入的這種方法,相較他們所研發以穩定方式讓細胞接收短暫的轉變訊號的新方法,新方法在許多層面都比原先的要好。然而,要以這種方法達到足夠的效率就需要做到非常高的專一性,才能改變細胞內整個運作機制。要有效率的製造穩定且具有和真正的神經細胞一樣的基因機制的神經細胞,是這項研究中的一大挑戰。

CRISPR 原本是細菌免疫系統中的一部分,當細菌被外來基因或病毒入侵時,CRISPR 系統可以收集入侵者的基因片段,將之嵌入自身基因組中做為「記憶」之用,等到下一次再被同樣的入侵者攻擊,細菌就能夠用這些「記憶」片段製造出能抑制該片段的短序列,用這些序列抑制入侵者的基因以及功能,做為防禦手段。而當 CRISPR 的特性被科學家借用做為基因編輯工具,科學家不需要的抑制基因功能就被去除,只剩下將特定基因嵌入或剔除的序列修改功能。

這項研究結果顯示,新的 CRISPR 運用能夠針對在老鼠腦部組織中本來就有的基因活化,藉此來製造神經細胞。研究團隊以老鼠纖維組織母細胞做為受試樣本,實驗結果顯示以 CRISPR 技術處理之後,3 個主要的神經細胞轉錄因子活化神經細胞的基因,使得原本身為纖維組織母細胞的細胞開始傳導電訊號,出現了神經細胞的特性。這樣的特性並不會隨著後來 CRISPR 所攜帶的活化因子的移除而消失;相反的,細胞持續表現出神經細胞的特性,也就是說,它現在已經變成了一個神經細胞。

如果我們用病毒攜帶 CRISPR 材料將細胞內的轉錄因子提升,雖然能夠讓細胞具有神經細胞的特性,卻無法持久。若是要將細胞真正的轉變成神經細胞,就不能夠一直依賴外在的刺激來達成,而必須要在轉變成神經細胞之後,細胞就能獨立表現出神經細胞的特性。

原本科學家常用的以病毒運送外來基因的方式,問題在於這些基因在原本細胞中就已經存在,而又以人工方式額外加上更多數量的特定片段,這使得後來細胞內所產生的轉錄因子雖然足夠,但大多都不是由細胞原有的基因片段所製造。不過,這項研究所研發的新方法卻能避開這項缺點,雖然產生的轉錄因子沒那麼多,但它們全都是由正常細胞染色體上的基因所製造,也就是說,該細胞是真的開始主動的製造轉錄因子,並且能夠穩定的表現神經細胞的特性。研究團隊能切換細胞內不同基因的活化,而不是用額外的基因迫使細胞表現外來的基因。

 

從實驗小鼠推到人類身上

研究團隊的下一步,是要將原先作用於小鼠細胞的系統擴展至人類細胞,同時提高技術效率並且去除後生基因型的影響,進而運用到其他特定的疾病模型。在未來或許可以做到製造新的神經細胞移植到患者腦內,來治療帕金森氏症等神經退化疾病。就算這個想法還有些遙遠,就目前的研究成果來看,這項技術已經對許多疾病治療方法的研發有所助益。

(首圖來源:phys.org) 

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