佳學(xué)基因：基因矯正技術(shù)開始解決染色體異常——CRISPR/Cas9 精準(zhǔn)“剪除”多余染色體

染色體異常，如唐氏綜合征（Down Syndrome, DS）中的 21 號(hào)染色體三體（Trisomy 21），是導(dǎo)致嚴(yán)重先天性疾病的根本原因。長(zhǎng)期以來，這類由整條染色體數(shù)量異常引起的疾病被視為基因治療領(lǐng)域中最棘手的挑戰(zhàn)之一。然而，一項(xiàng)基于 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)的新策略，正為解決染色體異常帶來的表型問題，開辟一條激進(jìn)而有效的道路。

挑戰(zhàn)：個(gè)體內(nèi)差異與全染色體異常的復(fù)雜性

唐氏綜合征的臨床表型復(fù)雜，部分原因在于個(gè)體遺傳背景對(duì)基因表達(dá)譜的強(qiáng)烈影響。研究顯示，即使是比較同卵雙胞胎衍生的、染色體狀態(tài)不同的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞），其差異表達(dá)基因（DEGs）的重疊率也較低（上調(diào) DEGs 約 33.0%、下調(diào) DEGs 約 30.1%）。這種低一致性表明，簡(jiǎn)單的針對(duì)少數(shù)幾個(gè)基因的療法難以奏效，因?yàn)閭€(gè)體差異在塑造三體 21 基因表達(dá)譜中起著關(guān)鍵作用。

更重要的是，研究提出了非整倍體相關(guān)表型假說：額外的染色體拷貝不僅帶來其所含基因的表達(dá)變化，還會(huì)導(dǎo)致與染色體本身基因無關(guān)的、普遍性的非整倍體驅(qū)動(dòng)的表型，例如細(xì)胞活力降低、代謝需求升高等。

面對(duì)這種系統(tǒng)性的、涉及整條染色體數(shù)量變化的異常，單純的基因矯正或沉默單基因效果有限。因此，“誘導(dǎo)三體挽救”，通過去除額外的遺傳物質(zhì)來恢復(fù)正常的二倍體狀態(tài)，成為了解決非整倍體相關(guān)表型問題的激進(jìn)且有效的策略。

創(chuàng)新策略：利用等位基因特異性 CRISPR/Cas9 消除染色體

此前，嘗試消除多余染色體的方法，如插入致死基因或 X 染色體失活基因（XIST），因需要進(jìn)行大規(guī)模的基因組修飾，不兼容臨床應(yīng)用。

本研究的創(chuàng)新之處在于，將 CRISPR/Cas9 基因編輯的“副作用”轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的治療策略。

1. 等位基因特異性切割（AS CRISPR/Cas9）

• 目標(biāo)與優(yōu)勢(shì)： 針對(duì)三體細(xì)胞中三條 21 號(hào)染色體中獨(dú)有的、僅存在于其中一條染色體上的等位基因序列（AS位點(diǎn)）進(jìn)行切割。這種等位基因特異性（Allele-Specific, AS）靶向的優(yōu)勢(shì)在于：

  • 精準(zhǔn)打擊： 在三體細(xì)胞中，僅靶向一條額外的染色體拷貝，避免了對(duì)其他正?？截惖膿p傷。

  • 高效消除： 解決了常規(guī) CRISPR/Cas9 靶向在非整倍體細(xì)胞中會(huì)同時(shí)切割三個(gè)或更多位點(diǎn)的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定染色體的高效去除。

  • 避免單親二體： 有助于避免產(chǎn)生由兩條同源染色體都來自同一親本的單親二體現(xiàn)象。

2. 克服非整倍體挽救的挑戰(zhàn)

• 機(jī)制利用： 研究發(fā)現(xiàn)，CRISPR/Cas9 在三體細(xì)胞中誘導(dǎo)的雙鏈斷裂（DSB）主要導(dǎo)致了整條染色體的消除，而非像在正常二倍體細(xì)胞中常見的染色體末端截?cái)?。這可能得益于三體細(xì)胞在細(xì)胞重編程（iPS 細(xì)胞誘導(dǎo)）過程中固有的三體偏向性染色體丟失（TCL）傾向。

• 優(yōu)化效率： 為了提高染色體消除率，研究采用了 siRNA 介導(dǎo)的暫時(shí)性抑制 DNA 修復(fù)機(jī)制（如敲低 LIG4 和 POLQ 基因）的方法。結(jié)果顯示，抑制 DNA 損傷修復(fù)能夠有效地促進(jìn)被切割染色體被細(xì)胞清除，而非被修復(fù)保留，將染色體消除率提升至更高的水平。

治療潛力與可逆性

1. 表型和基因表達(dá)的恢復(fù)

通過去除額外的 21 號(hào)染色體，研究成功地將三體 21 細(xì)胞恢復(fù)為正常的二倍體狀態(tài)，并觀察到了可逆性的積極變化：

• 基因特征恢復(fù)： 誘導(dǎo)的二倍體細(xì)胞的基因表達(dá)特征得到恢復(fù)，先前與唐氏綜合征相關(guān)的一些基因表達(dá)被糾正。

• 細(xì)胞表型糾正： 誘導(dǎo)的二倍體細(xì)胞中觀察到代謝過程相關(guān)基因下調(diào)，與唐氏綜合征個(gè)體的系統(tǒng)性高代謝現(xiàn)象可能相關(guān)。同時(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)基因的上調(diào)，暗示了轉(zhuǎn)錄特征的恢復(fù)，有望改善唐氏綜合征相關(guān)的神經(jīng)解剖異常和認(rèn)知障礙。

2. 廣泛的適用性

值得注意的是，該方法不僅在多能干細(xì)胞中有效，而且在成纖維細(xì)胞等分化的細(xì)胞類型中也取得了染色體消除。此外，該技術(shù)在分裂細(xì)胞和非分裂細(xì)胞中均實(shí)現(xiàn)了染色體消除，這極大地拓展了其潛在的治療應(yīng)用范圍。

結(jié)語與展望

這項(xiàng)研究成功地為唐氏綜合征等非整倍體疾病提供了一個(gè)“概念驗(yàn)證”：通過等位基因特異性的 CRISPR/Cas9 誘導(dǎo)，可以選擇性地、高效地消除細(xì)胞中多余的染色體。

雖然仍需進(jìn)一步的優(yōu)化、安全性和更全面的基因組分析（WGS）來驗(yàn)證其廣泛應(yīng)用性和安全性，例如解決切割后殘留染色體上可能引入的突變、防止非靶向等位基因的意外切割等問題。但是，這項(xiàng)工作為解決染色體數(shù)量異常這一根本性遺傳病因奠定了基礎(chǔ)，并預(yù)示著未來醫(yī)學(xué)干預(yù)將不再局限于基因水平，而是可以提升至染色體水平的矯正，為患者帶來新的希望。