DAPPA的“安全基因”项目将开发一套工具,用于解决基因编辑技术这一快速发展领域的潜在风险,避免或限制经过工程改造的基因发生扩散。DAPPA项目经理雷尼·文格指出:“基因编辑技术是促进生命科学快速发展的重要动力,但目前受到许多未知因素以及缺乏控制设备的限制。DAPPA计划开发一种基因编辑和衍生控制装置,为研究提供可靠支持,同时防止转基因生物因不可靠因素而释放。”本项目灵感源自“基因驱动”领域的最新进展,即可以通过确保某种编辑后的遗传性状可遗传给每个后代,继而改变人类的遗传性状。几十年以来,科学家们致力于研究自我延续基因的驱动因素,但2012年遗传基因工具CRISPR-Cas9的开发大幅推动了高度精确的遗传性状编辑技术的发展,极大地提升了实验基因驱动因素的潜在价值并增加了某些领域的需求。传统的生物安全措施包括物理生物安全防护、暂停研究、自我管控和立法管控等,但这些规则是针对环境释放技术制定的,只适用于传统机构的用户。安全基因项目的目标是在新生物技术的启动阶段建立生物安全性、提供一系列选择以解决合成基因威胁并帮助人们理解与自然基因编辑技术相关的潜在问题、优势及缺陷。文格表示,“DAPPA目前正在研究一套通用工具,并将其独立或整合应用于生物创新或解决生物威胁”。本项目要实现三项技术目标。第一,开发基因构建体,在生命系统中为基因组编辑器提供三维空间的临时性和可逆控制手段。第二,开发新的小分子和分子处理措施,提供预防和治疗选择,防止或限制有机体中的基因组编辑,以保护人体中基因组的完整性。第三,在环境和恢复系统中消除多余的工程基因并将其恢复至原始基因状态。从国家安全角度来看,本项目将解决基因编辑工具快速应用和扩散带来的风险。基因测序和基因编辑工具包成本的大幅度下降及该项技术的逐渐普及为基因修饰实验提供了更多的机遇。低成本与高可用性的整合,意味着基因编辑技术的优点和缺点都将被放大,应用于传统科学团体以外的人员和领域。DAPPA将于2016年9月30日,在华盛顿特区美国和平研究所举行提案人日活动,进一步明确项目愿景并回答候选提案人的相关问题。

美国国防先期研究计划局于去年宣布启动“安全基因”项目,以提高对快速发展的基因编辑技术领域的了解,使基因编辑技术安全、可控地用于对人类有益的目的,消除该技术的潜在风险,限制或避免经过工程改造的基因发生扩散并造成潜在的健康和安全问题。近日,DARPA宣布向7个研究团队授出总额为6500万美元的研发合同。这7个研究团队分别来自:麻省理工学院与哈佛大学共建的博德研究所、哈佛医学院、马萨诸塞州总医院、麻省理工学院、北卡罗来纳州立大学、加州大学伯克利分校和加州大学河滨分校。
CRISPR-Cas9基因编辑技术的共同发明人、加州大学伯克利分校教授詹妮弗·道娜将对这些基因编辑工具将来能否用于防止生物恐怖主义威胁进行研究和评估,例如,新型感染因子或武器是否会对细菌代理或CRISPR本身造成威胁。
科学家们还发现了多种可用于研究或医学治疗的Cas9蛋白质变体,以及被称为“抗CRISPR”的蛋白质。抗CRISPR蛋白质类似于机械卡钳,可使基因编辑停止。加州大学伯克利分校领导的合作团队将对这些有阻断基因编辑潜力的蛋白质进行深入探索。
DARPA“安全基因”项目主要对两大领域研究开展资助,一是基因驱动与遗传修复技术,二是基因编辑在哺乳动物体内的治疗应用。具体而言,研究内容包括开发开启和关闭基因编辑的方法,控制细菌、哺乳动物和昆虫等生物体的基因编辑,构建用于精密基因组工程的合成基因编辑工具,探测、防止、修复基因组因受到辐射而发生突变,筛选和验证天然药物或合成药物抑制基因编辑活动的有效性等。
鉴于基因编辑技术对国家安全、人民健康和环境保护具有广泛的潜在影响,DARPA希望通过开展“安全基因”项目研究,提高对基因编辑技术的了解。该项目将通过与独立专家团队合作,帮助DARPA团队从法律、道德、环境、军民两用、责任创新等方面进行思考,消除可能出现的负面影响。此前,DARPA曾与国家科学院共同出资,委托研究团队撰写了基因驱动研究报告,分析了基因编辑的研究进展及影响,为推动基因编辑技术向前发展提供思路框架。

纵观基因编辑技术市场,其现状与八十年代索尼公司出产的Betamax录像机和JVC公司的VHS录像机之间的磁带格式战争非常相似。在当时虽然大多数专家都认为Betamax录像机更功能丰富、性能更好且更耐用,但是从另一方面来看,VHS录像机的价格更偏宜,并且适用于长时间观影,因此在这场战役中最终的赢家是JV公司的VHS录像机。医疗市场分析公司Kalorama对基因编辑技术和公司进行梳理,动脉网为你做了编译和整理。

基因编辑技术目前正在面临索尼和JVC公司式的困境。在基因编辑领域,很多年前就已经出现了包括基于锌指核酸内切酶和TAL效应因子在内的精准有效的基因编辑技术。但是在操作简单、成本较低的CRISPR技术的出现以后,才真正的驱动基因编辑技术市场的发展,或者说是因CRISPR技术的出现才真正的建立了基因编辑技术市场。

基因组编辑是通过在基因组中特定的靶点引入功能蛋白来修饰特定生物DNA的过程。“编辑”这个词其实并不够完全,它确实概括了整个过程,但是可能错过了一些重要的步骤。比如一旦功能蛋白被引入基因组,它就成为了自身编辑的有机体,同时还可以刺激引发细胞的修复机制,使得基因失活或是在基因组的特定靶点引入新的目的基因。

基因编辑技术在许多领域中具有许多商业应用价值,例如人类健康疗法、植物新品种、动物新品种、用于科学研究的动物模型、新的化合物以及能量来源的开发。目前已经处于开发阶段的各种基于基因编辑的项目实例包括:HIV
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AIDS治疗、抗除草剂的芸苔植物的开发、急性淋巴细胞白血病的治疗、基因工程化大豆的开发,甚至还有基于基因编辑的巴马猪和啮齿动物模型。

梅高美,目前,很多公司都表现出了对于基因编辑技术市场的兴趣。MilliporeSigma、Thermo
Fisher Scientific、Dharmacon、GeneCopoeia、GenScript、Horizon Discovery
Group、OriGene、Transposagen、ToolGen是基因编辑技术市场的主要参与者。

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基因编辑市场逐年递增 单位:金额/百万美元 2014 – 2016.

医疗市场分析公司Kalorama信息预估,在基因编辑技术市场中基因编辑工具、试剂、服务、模型和其他与该技术相关的用品占有了约6.08亿美元的市场份额,相比2014年时的2.33亿美元有所增长,并且随着新应用的开发和新项目的增加,预计在未来五年将会实现快速增长。

使用基因编辑技术的治疗学和农业应用的不断发展,以及公共和私人在基因编辑领域投资的增加也将驱动该市场的不断向前。目前,大量公共和私人投资者都对使用基因编辑技术发展人类健康疗法领域表现出了很大的兴趣。

Bayer,Biogen,Juno Therapeutics,Novartis,Pfizer和Regeneron
Pharmaceuticals等公司通过与小公司的各种投资和合作,参与使用基因编辑技术开发治疗药物。除了人类治疗的发展之外,基因编辑技术在许多其它领域中具有商业应用,其中许多领域刚刚开始被探索。

事实上,我们已经掌握了多种基因编辑技术。第一个引入的是锌指核酸酶技术,或称ZFN。它的靶向效率为其赢得“分子剪刀”了的称号。它已经成为一项完善的技术,已经在从人类到其他多个生物模型得到了应用,如果蝇、拟南芥、斑马鱼、小鼠、大鼠,是一项经过验证的得到公认的技术。

锌指核酸酶技术具有很高的特异性的,因此不会引起免疫应答,但是这种高度的特异性将会产生消极的影响,即基因工程化锌指DNA结合蛋白成为了一个难题,部分也是由于蛋白质本身体积庞大的性质及其环境依赖性结合的属性。除此之外,它们还易于脱靶,导致可以细胞被杀死或发生计划外的突变。

TALEN作为第二代基因组编辑核酸酶被引入,与其它技术相比,其能更大程度上的地避免功能蛋白脱靶。与锌指核酸酶相比,TALEN使用起来更简单、构建更迅速,并且价格更低廉。TALEN不像ZFN那样容易受周围连接环境绑定的影响,因此与ZFN相比,其设计和工程没有ZFN复杂。与此同时,由于它们具有与DNA靶位点结合的高度特异性,因此比其它工具酶,TALEN产生的脱靶效应非常微弱。但是装配TALEN编码质粒却是一个冗长的、高强度工作的过程。

CRISPR-Cas9技术是在对细菌的免疫系统进行研究时研究开发出来的。在细菌的免疫系统中,其防御机制可使用DNA片段来对抗病毒等外来物质。科学家们认为,如果细菌的自身环境足够好,那为什么不开发一种技术以同样的方式来对外来物质进行干预?

梅高美DARPA设立“安全基因”项目,消除基因编辑技巧中的安全难点。CRISPR序列由众多短而保守的重复序列和间隔区组成。间隔区是一些可变序列,其与先前入侵细菌基因组外的外源遗传物质的序列相对应。这些间隔序列储存在细菌基因组内,被看作是通过再感染来触发降解入侵病毒DNA的记忆机制。距离该理论被提出已经过去了几十年,但是直到2012年,用于这项技术的工具才上市。

在CRISPR技术中,首先CRISPR序列转录为单个RNA,然后被加工成较短的CRISPR
RNA,其具有引导Cas酶的活性以降解靶向核酸的作用。
每个“向导RNA”都可识别其自身靶序列并引导Cas9酶对DNA链进行切割,从而刺激细胞的NHEJ或HDR修复机制。

CRISPR-Cas9技术的工具使用起来非常简单,同时其设计和构建速度最快,成本也最低。由于不涉及蛋白质工程,所以构建CRISPR-Cas9技术的工具只需要几天时间就可完成,成本可以控制在几百美元的范围内。因此,开发大量短向导RNA相对容易,其在高通量应用如功能基因组学研究中也具有广泛的应用。

梅高美DARPA设立“安全基因”项目,消除基因编辑技巧中的安全难点。CRISPR-Cas9工具只需通过对向导RNA序列进行简单的修饰,就能轻松重定向到基因组中的几乎任何位置。同时,由于其拥有多重的基因编辑能力,与传统育种技术相比较,也可以让用于复杂疾病研究的动物模型的更快速、成本更低廉的工程化。

但是CRISPR-Cas9技术也有一些限制,包括被看作ZFN限制的功能蛋白脱靶。与ZFN和TALEN复杂的二聚体结构相反,CRISPR-Cas9系统拥有更简单的单体结构,可通过碱基配对结合同源位点,因此在结合和切割期望的DNA位点方面特异性较低。而且对于CRISPR-Cas9技术来说,脱靶突变验证难度增加,并且需要对具有相似同源性的所有位点的突变都进行广泛的全基因组扫描,这将是很大的工作量。

梅高美DARPA设立“安全基因”项目,消除基因编辑技巧中的安全难点。梅高美DARPA设立“安全基因”项目,消除基因编辑技巧中的安全难点。梅高美DARPA设立“安全基因”项目,消除基因编辑技巧中的安全难点。科学家们已经研究出了各种可增加特异性和消除脱靶效应的策略,包括利用不同细菌来源的酶、重组Cas9酶,以及对向导RNA中识别序列的长度和二级结构的做出一定的改变。最近,在2015年9月,科学家在弗朗西斯细菌中发现了非Cas9
CRISPR系统即CRISPR-Cpf1,其在解决这一领域的问题上拥有其独特的优势。

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尽管与其他基因编辑技术工具的优势相比,由于CRISPR-Cas9技术较新,因此其治疗学方面的发展明显落后于其他基因编辑技术。并且目前还不清楚CRISPR技术在未来是否能被证明适用于人类健康治疗。就目前看来,其易产生脱靶效应仍是一项重大的挑战,如果克服了这一难题,那么CRISPR技术用于人类治疗的安全性就能得到很大的提高。由此我们可以知道,在保持CRISPR技术优势的基础上,努力突破其限制壁垒将是未来几年基因编辑技术发展的大趋势。

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