Cell公布2013年度最佳论文 CRISPR技术上榜

2014/04/16 来源:生物通
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导读
近期《细胞》(Cell)杂志盘点了2013年度最佳论文,其中热门技术CRISPR也登上了榜单,相关论文描述了利用基因调控系统CRISPR/Cas,一步操控小鼠基因组纳入了报告基因和条件性等位基因的方法。


Master Transcription Factors and Mediator Establish Super-Enhancers at Key Cell Identity Genes

麻省理工白头研究所和哈佛丹娜法伯癌症研究所以及冷泉港实验室这三家知名的研究机构的科学家惊讶地发现,一组称作“超级增强子”( super-enhancer)的强有力基因调控子,它们控制了细胞的状态和特性。

研究发现,健康细胞利用这些超级增强子来控制负责细胞功能和发育转换(例如从胚胎干细胞转换为神经细胞)的基因,而癌细胞能够装配自身的超级增强子,过度表达癌基因,导致侵袭性肿瘤。

研究人员一直惊叹细胞控制的复杂性,在构成人体的各种各样细胞中,数百万的增强子控制着数以万计的基因。因此,发现只有数百的超级增强子控制了赋予每个细胞特性和功能的大多数关键基因,并且这些特异的控制在癌症和其他疾病中遭到了劫持,是令人感到惊喜的。

研究人员在正常细胞中确立了一个基因调控模型,这一模型似乎远没有以前所认为的那么复杂,且更易解析。到目前为止,包括近期记述的ENCODE(DNA元件百科全书)计划在内的大量研究,已经在哺乳动物细胞中鉴别出了超过一百万个控制基因表达的增强子或“开关”。破解每个开关的精确功能和靶基因将是一个艰巨的任务,而研究人员发现了一条捷径,来解析控制回路的核心基因。他们证实,只有数百个特异开关即所谓的“超级增强子”控制了实际上赋予每个细胞独特性的重要基因。

这一观点的奇妙之处在于它非常简单。对于每个细胞特别重要的那些基因受到这些特化增强子的调控。在发育过程中这些超级增强子特别迅速地发生改变,因此在发育过程中失去老的超级增强子,建立新的超级增强子,驱动了细胞身份(cell identity)的变化。

One-step generation of mice carrying reporter and conditional alleles by CRISPR/Cas mediated genome engineering

来自Whitehead研究所的研究人员利用基因调控系统CRISPR/Cas,一步操控小鼠基因组纳入了报告基因和条件性等位基因。现在生成包含如此复杂工程等位基因的动物只需数周而非数年的时间,并可利用这些动物来构建疾病模型及研究基因功能。

CRISPR/Cas ("clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR associated")系统,是在大多数细菌以及古菌中发现的一种天然免疫系统,可用来对抗病毒以及其他病原体对细菌的入侵。科学家们近期通过利用这一防御机制,快速有效地改变了小鼠和人类细胞的基因组。然而直到现在,研究人员才利用CRISPR/Cas来构建遗传研究最有用的一种工具:条件性突变小鼠。

一个条件性突变小鼠基因组中,包含有一个或一组可利用一种特定信号来开启或关闭的基因。通过开启或关闭这些基因,科学家们可以梳理某些基因在生物学功能和疾病中的作用。

此前,科学家们构建这样的模式生物需要利用胚胎干细胞(ESCs),且要经历一个复杂且耗时的过程。不幸的是,科学家们只能有效操控小鼠和大鼠的这些ESCs,这一限制阻碍了这类研究。

利用CRISPR/Cas,Jaenisch和他的实验室构建出了带有条件性等位基因的小鼠,以及携带着多个标记基因能够报告这些基因是否正在表达的小鼠。研究人员的实验还减轻了人们对于CRISPR/Cas脱靶活性的忧虑。

Reprogramming Adult Schwann Cells to Stem Cell-like Cells by Leprosy Bacilli Promotes Dissemination of Infection

麻风杆菌(Mycobacterium leprae)已折磨人类上百年了,但是这并不意味着人们已经揭示它的所有秘密。在小鼠体内开展的一项新研究提示着这种能够让人毁容的致病菌利用一种生物诡计来施加伤害:它将某些神经细胞重编程为干细胞样细胞,并利用它们侵入身体的肌肉和中枢系统之中。这是科学家们首次观察到细菌以这种方式对细胞进行重编程。专家们说,这些研究发现可能导致人们开发出新的疗法来治疗麻疯病和其他的神经退化性疾病。

来自英国爱丁堡大学的生物学家Anura Rambukkana和他的同事们发现了这种疾病的另一个细节:它偏好感染施旺细胞(Schwann cell),其中这种细胞是包被神经和协助传递神经系统信号的特化细胞。研究人员从小鼠体内分离出施旺细胞,并利用麻风杆菌感染它们。

他们很快就吃惊地发现这种细菌能够转化这种细胞,即它们关闭在成熟施旺细胞中表达的基因,并开启与细胞发育早期阶段相关联的基因。这些细胞变成未成熟的类似于在骨髓和其他组织中发现的某种类型干细胞的细胞,从而能够变成骨细胞和肌细胞。

当研究人员把这些发生变化的细胞再次移植到小鼠体内时,其中的一些细胞迁移到肌肉组织,并且把这种细菌扩散到它们到达的任何地方。这些研究结果提示着麻风杆菌劫持施旺细胞,破坏它们隔离和维持神经系统的能力,因此它能够使用这些细胞侵入体内的其他组织。

Rambukkana希望未来的研究将有助于更多地揭示麻风杆菌如何转化施旺细胞。他说,理解这种过程将可能有助于医生们在更早的阶段诊断麻风病,从而可能尽早地阻止它。"它也能有助于我们找到新的方法来产生用于治疗的干细胞,因此我们能够治疗其他的神经退化性疾病",如多发性硬化症。

Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer

来自美国俄勒冈健康与科学大学的科学家利用处于细胞“分裂间期”阶段的2-细胞胚胎的细胞质,成功地生成了源自成年小鼠体细胞的胚胎干细胞。过去科学家们一直认为,在分裂间期这一细胞周期的后期阶段不能将移植成体细胞核转化为胚胎干细胞。

由俄勒冈健康与科学大学Shoukhrat Mitalipov博士及其研究小组获得的这些研究成果,对于生成患者匹配的人类胚胎干细胞,满足再生医学需求这一学科领域将产生重大的影响。人类胚胎干细胞能够转变为身体的所有细胞类型。科学家们认为,通过替代损伤或疾病破坏的细胞,干细胞治疗有望在某一天治愈或治疗从帕金森病、心脏病到脊髓损伤等许多不同的疾病。

如果在小鼠身上取得的这些新研究结果也能适用于人类,其有可能会大大推动研究努力生成满足再生治疗需求的人类胚胎干细胞。由于Mitalipov研究小组利用来进行重编程的胚胎细胞是处于“分裂间期”的细胞,相比于供应短缺的常规卵细胞更容易获取。科学家们过去认为,只能利用分裂中期的卵子细胞质才能生成胚胎干细胞。

这项研究目前陷入质疑中。

Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans

在成年啮齿类动物的大脑中,新生神经元能够促进动物的记忆。那么,成年人的大脑是否也可以生成新神经元呢,长期以来这个问题一直存在争议。六月六日Cell杂志上发表的一项研究显示,成年人大脑的海马体中的确生成了许多新神经元,海马体是关键的记忆和学习区域。

这项研究巧妙利用了半个多世纪前的地表核试验,在检测人体内碳14含量的基础上,分析神经元的产生时间。研究显示,人类的海马体中每天都会产生新的神经元,而这些神经元很可能涉及了重要的认知功能。

由于技术限制,迄今为止人们都没能对人类神经元生成进行定量分析。为了克服这一问题,Frisén及其团队开发了一个新方法来记录神经元的产生。五十多年前人类进行的地表核弹试验,导致空气中碳14水平升高,这是一种非放射性的碳。而1963禁止核试验条约问世以来,空气中的碳14水平以特定速率逐渐下降。

人们在食用植物或动物产品时,也同时吸收了正常碳和碳14,二者的比例对应它们在空气中的组成。因此,每当大脑生成新神经元时,DNA就记录了当时碳14在空气中的浓度。在此基础上,研究人员就可以通过碳14测定来确定神经元生成的时间,这与考古学家常用的方法类似。

研究人员对一些死者的海马体神经元进行研究,测定了神经元DNA中的碳14浓度。他们发现,这些细胞有超过三分之一,会在人的一生中定期更新。研究显示,人类成年阶段,每天约增加1,400个新神经元,这一速度会随着年龄增长稍有降低。

研究人员指出,成年人海马体的神经元生成程度与成年小鼠相近。从小鼠研究来看,神经元生成可能对人类认知和精神疾病也有重要作用。“研究者曾推测,抑郁与海马体神经元生成减少有关。我们的研究显示,靶标这一过程将有望开发出更有效的新抗抑郁药物,”Frisén说。

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