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《李家洋、韩斌等应邀在《The Plant Journal》撰写“未来作物设计策略与挑战”观点综述文章》

  • 来源专题：转基因生物新品种培育
  • 编译者： 王晶静
  • 发布时间：2020-12-06

  • 国以民为本，民以食为天。粮食供给是决定人类社会发展的关键，自20万年前人类在非洲起源的那一刻开始，粮食安全就成为人类追求和奋斗的目标。从某种意义讲，人类社会的文明史也是一部粮食生产的发展史。尽管在过去半个世纪中，粮食供应已显著增加，但世界上仍然有约8.9％的人口遭受饥饿和14.3％的人口遭受营养不良。伴随着社会的发展，人口不断增长，当今，世界人口已经超过70亿，预计到2050年，全球人口将达到90亿。同时，生态环境也在发生变化。例如，全球二氧化碳的浓度在20世纪以前一直保持在250 ppm或更低的水平，而进入20世纪，二氧化碳浓度持续上升，目前已经高达400 ppm左右。伴随着二氧化碳浓度的升高，全球气候变暖、极端天气频发、耕地肥力减弱。世界人口持续增长和全球环境变化对未来粮食安全提出新的挑战。

    国家自然科学基金委员会和中国科学院分别发起了应对粮食安全的重大战略问题，设立了“未来作物设计”科学中心项目和战略性A类先导项目，旨在制定育种4.0时代利用尖端技术对定制的未来作物进行快速设计的路线图。2020年12月1日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士、田志喜研究员和中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所韩斌院士、王佳伟研究员应邀在The Plant Journal撰写了题为“Designing Future Crops: challenges and strategies for sustainable agriculture”的观点综述文章（DOI:10.1111/tpj.15107）。本文首先介绍了该项目的背景和任务；进而从改良现有作物和从头驯化野生物种两个方面分别阐述了未来作物设计的策略，并对所需要的研究方法和技术手段进行了概述；最后对可能的机遇和挑战进行了讨论。

    田志喜研究员和王佳伟研究员为该论文的共同第一作者，李家洋院士和韩斌院士为共同通讯作者。本项工作得到国家自然科学基金委和中国科学院战略性先导项目的资助。

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相关报告

  • 《微生物所应邀在Trends杂志发表计算机酶设计重要综述》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-05-10
    • 生命历经40多亿年的演化至今，由酶催化的生化反应构筑了生命活动的核心基础。自然进化历程极其缓慢，新功能产生需要百万年时间，无法满足现代生物技术发展的需求。酶的人工设计是拓宽其应用的必经之路，亦是人工合成生命的重要底层技术。近日，中国科学院微生物研究所吴边团队应 Trends in Chemistry杂志邀请，发表了题为“Computational enzyme redesign: large jumps in function”的特邀综述，系统介绍了计算酶学的发展历程、科学意义以及未来趋势。 近年来，基于蛋白质本身的物理化学原理，学界发展出以Rosetta Design为代表的一系列计算策略，研究人员可以按需快速创造具有新功能的酶制剂，甚至从头创造人工酶实现自然界无法催化的生物化学反应，如催化Kemp 消除反应 (Kemp elimination reaction)、羟醛缩合反应 (Retro-aldol reaction)、狄尔斯-阿尔德反应 (Diels-Alder reaction)等。尽管从头设计技术展现了激动人心的应用前景，目前该技术还存在设计成功率不高、酶催化活性较低等科技挑战，寥寥数个成功实现的从头设计人工酶案例让整个领域陷入了对未来发展方向的沉思。 相比之下，借助于天然酶骨架的新功能重设计技术逐步走入人们视野，例如Siegel 等利用新酶重设计技术创建催化甲醛聚合的甲醛聚合酶Formolase，并成功将该酶应用于生物代谢途径，创造了以二氧化碳为原料合成羟基丙酮的人工合成途径。2018年，吴边团队针对微生物体系中极为稀缺、底物特异性极高的氢胺化酶进行功能重塑，在世界上首次通过完全的计算指导，获得了工业级微生物工程菌株，取得了计算驱动生物制造在工业化应用层面的率先突破（Nat. Chem. Biol. 2018, 14(7): 664-670）。随后，该团队进一步重构了完整的酶活性中心，打破了生物体系内氢胺化反应非天然底物无法兼容的瓶颈，成功创造出超广谱微生物氢胺化反应路径，为合成生物学所需的新型底层生命砌块创造了平台制备体系（Nat. Catal. 2021, 4: 364–373）。该篇综述归纳了利用重设计技术获得酶功能重塑的成功案例，这些高效人工酶的成功设计充分证明了新酶重设计策略具有巨大的发展潜力。 随后，作者探讨了大数据和人工智能的发展为酶设计带来的新契机。伴随人工智能发展的浪潮以及测序数据的积累，一大批数据驱动型的蛋白质计算设计方法不断涌现，设计出腺相关病毒衣壳蛋白、蛋白质传感器、蛋白质逻辑门、跨膜蛋白和结合新冠病毒的小蛋白等案例。同时，AlphaFold横空出世，对于有天然稳定结构的蛋白质结构预测问题基本得到了解决。在AlphaFold掀起的浪潮下，发展数据驱动的“黑箱模型”已成为大势所趋。然而，相对于蛋白质结构，酶的催化机制更为复杂，且数据表征方法不统一，缺乏大规模的专业性数据集。需要专业的机构通过大量人力、时间的投入，搜索、处理、建立高精度标注数据，实现“黑箱模型”的高质量训练，作者期待未来通过高精度数据获得的训练模型可进一步进行知识发现来把“黑箱”变成“白箱”。 在综述文章最后，作者对基于蛋白质本身物理化学原理的计算设计方法以及数据驱动的计算方法进行详细总结，并对这些策略目前的局限性和未来发展方向进行了讨论和展望。近年来“计算机蛋白质设计”技术蓬勃兴起，拓宽了人们对蛋白质结构与功能组织层次的认知，并为生物大数据时代下合成生物学注入新动能。该篇综述立足于全新的视角对目前计算设计人工酶领域的前沿技术进行梳理总结与科学展望，为计算设计与生物产业的互作融合提供支持。 中国科学院微生物研究所吴边研究组的崔颖璐副研究员为该综述的第一作者，吴边研究员为通讯作者。该综述的撰写获得了国家重点研发计划合成生物学专项（2018YFA0901600）、国家自然科学基金相关人才计划项目（31870055）、国家自然科学基金面上项目（31822002、32170033）中国科学院战略生物资源服务网络计划生物资源衍生库（KFJ-BRP-009、KFJ-BRP-017-58）、中国科学院网络安全和信息化专项应用示范项目（CAS-WX2021PY-0101）以及中国科学院青年创新促进会的资助。
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  • 《述评 | 张锋等科学家共同揭示CRISPR疗法递送策略！》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2023-10-19
    • 2023年9月18日，基因编辑领域先驱张锋教授于《自然》杂志子刊Nature Reviews Drug Discovery联合发表了一篇题为Drug delivery systems for CRISPR-based genome editors的综述文章，详细阐述了目前为CRISPR基因组编辑技术所采用的各类递送策略，其中主要讨论了如腺相关病毒（AAV）和脂质纳米颗粒（LNP）这类已经被广泛研究的递送系统，同时也概述了一些在临床前研究中展现出巨大潜力的新型递送策略。2023年10月16日，药明康德研究团队将为读者解读该综述中的精彩内容。 基于CRISPR的基因编辑技术采用特异性的引导RNA（gRNA）来识别目标DNA序列，而后通过Cas9酶实施切割。一旦DNA被切割，细胞的固有修复机制将被启动，并通过该机制引入基因的特定变化，如突变碱基的修正或不必要序列的删除。基于CRISPR的基因编辑器具有治疗广泛的遗传疾病的潜力，包括遗传性疾病和某些类型的癌症。此外，这项技术可以通过病毒的遗传信息，被用于研发针对HIV和乙型肝炎等传染性疾病的治疗方案。目前，基于CRISPR的基因编辑技术已成为基础研究的重要工具，助力科研人员深入研究特定基因的功能以及其在疾病进程中的角色。 由于基于CRISPR基因编辑技术的疗法涉及将外源性遗传物质注入体内，这有可能诱发免疫应答并引起潜在的毒副作用。因此，靶向性的药物递送系统在确保基因编辑技术达到其目标细胞并安全发挥作用时显得尤为关键。考虑到不同的细胞和组织可能对递送方式有着特定的需求，为基于CRISPR基因编辑技术的疗法开发一套多样化且可针对具体应用的递送系统是至关重要的。总体而言，高效的药物递送策略是充分发挥基于CRISPR的基因组编辑技术在遗传病等疾病治疗和基础研究中潜力的核心环节。 当前基因编辑系统研发进展 当前，最常见的一类基因组编辑器是CRISPR-Cas9系统，它也是第一个被设计用于人类细胞的基因编辑系统。Cas9酶在与gRNA互补的靶位点切割产生DNA双链断裂（DSB），在人类细胞中，这些DNA双链断裂可以通过非同源末端接合（NHEJ）机制进行修复，这一过程通常会导致基因功能的丧失。早期临床数据表明，NHEJ介导的基因敲除降低了致病蛋白的表达。靶向DSB也可以通过宿主细胞的内源同源修复机制进行修复，从而导致其与外源性模板DNA的整合。 当前，Cas9已经被改造以实现其他基因组操作。例如通过使来自酿脓链球菌的Cas9催化残基发生突变，Cas9可以转化为可编程的DNA结合蛋白，这类突变体Cas9蛋白可以减少靶基因转录，将其与转录抑制因子相融合，可以产生CRISPR干扰系统；同样地，当突变体Cas9蛋白与转录激活因子相融合，可被用于靶向转录激活。 除了CRISPR-Cas9系统，碱基编辑器（base editor）和先导编辑器（prime editor）也是近年来备受瞩目的新型基因编辑系统。不同于CRISPR-Cas9系统，碱基编辑技术不仅可以在不切断双链DNA的情况下，将基因组序列上的碱基转变为其他碱基类型，还可以精准在基因组中插入或切除DNA序列，为更安全和精准地修改基因组提供了强有力的工具。先导编辑技术同样也不会引发双链DNA断裂，它采用“搜索-替换”策略，从而大幅减少编辑位点副产物和脱靶效应。除此之外，这一策略可以在基因组中的几乎任位置进行不同序列编辑，可以纠正所有12种类型的单碱基对点突变，并适用于多种细胞和器官类型。 许多其他的CRISPR系统也被设计用于人类细胞。这些系统包括其他Cas9家族同源物——例如金黄色葡萄球菌Cas9（SaCas9）和脑膜炎奈瑟菌Cas9（NmeCas9）。此外还有其他DNA核酸内切酶（例如Cas12）和RNA核酸内切酶（例如Cas13）——RNA核酸内切酶构成了两个转录组编辑平台REPAIR和RESCUE的基础。这些技术共同构成了解决各种人类疾病的丰富工具。 总体而言，尽管每种基因编辑技术都具有其独特的优势和局限性，但它们都共同面临一个核心挑战：为了充分发挥其治疗潜力，必须确保其在人体内被安全、有效地递送至目标位置。 可用于递送基因编辑器的载体 有几种不同的递送系统可用于将基于CRISPR的药物传递到靶向细胞和组织。其中，目前已步入临床的两种递送系统是AAV和LNP。 1.腺相关病毒AAV是小型、非致病性病毒，可以通过工程设计携带CRISPR基因编辑器并将其递送到靶细胞。AAV具有几个优点，比如，它们能够同时感染分裂和非分裂细胞，并且具有较低的免疫原性，此外它们还能够实现长期的基因表达。目前AAV已被用于治疗遗传病的几项临床试验。 AAV在其反向末端重复序列之间携带转基因，它无法携带长度大于4.7 kb的转基因。研究人员尝试通过改造AAV的表达元件——包括启动子，增强子和多聚腺苷酸化信号序列，通过减少这些元件的大小来增加其潜在载荷，同时将转基因的表达限制在特定的组织或细胞类型。除此之外，研究人员还在尝试分离出可编码具有治疗性能的“微小蛋白”，以减少转基因载荷的大小。这一策略的应用实例是杜氏肌营养不良症（DMD）的基因疗法，通过生成截短但仍具有功能的抗肌萎缩蛋白，为DMD患者恢复抗肌萎缩蛋白功能。基于这一策略，已有数款DMD疗法获批或进入临床试验阶段。 在使用AAV递送CRISPR-Cas9编辑器时，载荷大小是一个重要的考量因素。为适应载荷容量限制，研究人员尝试使用比常规Cas9酶尺寸更小的Cas9蛋白，如SaCas9和Nme2Cas9（一种紧凑的Cas9变体）以减少载荷大小，实现在一个单独的AAV中容纳CRISPR-Cas9系统的所有组件。其他的潜在Cas9酶替代物还有Cas12和Cas13，基于这些酶的基因组编辑器已在动物模型中开展相关研究。 除了上述方法，为绕开4.7 kb的载荷包装限制，另一策略是将有效载荷分割为两个独立的构建体，随后利用两个AAV同时递送至同一细胞。为达成此目标，研究者们已经尝试采用了重叠AAV载体、反式剪接载体，以及分裂内含肽（split inteins）等技术。 2.脂质纳米颗粒LNP是另一种用于递送基于CRISPR的药物的递送系统。这些纳米颗粒由脂质构成，可以有效封装CRISPR基因编辑组件，确保其在血液循环中不被迅速降解。 尽管基于病毒载体的递送系统已经成功地将CRISPR药物输送到患者体内，但其疗效可能仍然受到预先存在的免疫应答、有效载荷大小限制、无法重复给药以及潜在的长期基因过度表达等因素的限制。这些局限性催生了对包括LNP-mRNA药物在内的非病毒递送系统的进一步研究。 LNP的安全性、有效性和趋向性取决于其纳米级的精确结构。因此，研究人员已经创建了一系列多样化的LNP化学构型，并对其在递送基因编辑药物方面的潜力进行了评估。 在LNP介导的基因编辑的临床前模型研究中，已有若干研究确凿地展示了通过LNP将基于CRISPR的基因编辑器递送到体内目标细胞的能力，从而实现有效的体内基因编辑。以某项临床前研究为例，研究者使用LNP向非人灵长类动物和小鼠模型递送靶向PCSK9基因的碱基编辑器VERVE-101。研究发现，单次注射携带有编辑器的LNP可使低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平降低69%，血液中的PCSK9蛋白降低83%，此效果可维持达476天，并且无脱靶事件或免疫反应的迹象。 类似地，针对ANGPTL3基因的碱基编辑疗法VERVE-201在另一项研究中也表现出色。为了增强对肝细胞的定向性，LNP颗粒表面被修饰以包含N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）。在对非人灵长类动物模型进行的单次给药研究中，VERVE-201对循环中的ANGPTL3蛋白表现出了显著的抑制效果。具体而言，给药后90天，ANGPTL3水平平均下降了80%以上，并在给药后616天时达到了96%的降低率。 这些发现表明，LNP可能是基于CRISPR的基因编辑器的有效递送系统，并为基于LNP的遗传疾病疗法的临床试验铺平了道路。目前，VERVE-101已经完成首位患者给药，VERVE-201预计在2024年开始进行临床试验。 除了AAV和LNP之外，当前正在开发的用于递送基于CRISPR药物的递送系统涵盖了多种策略，其中包括病毒性载体（如慢病毒载体）；同时，非病毒性的递送系统，包括聚合物纳米颗粒、金纳米颗粒，以及基于人逆转录病毒样蛋白PEG10的载体和病毒样颗粒（VLPs）也受到了广泛的研究关注。不同的递送系统各具特点，均带有一定的优势和局限性。因此，选择何种递送系统需要基于特定的应用背景以及所追求的疗效结果。 目前，多种采用不同递送系统、基于CRISPR基因编辑技术的疗法已经在临床试验中进行测试，其中不仅包括基于CRISPR技术的基因编辑疗法，还有其他种类的基因和细胞疗法，这些疗法为众多遗传性疾病患者提供了全新的治疗前景和希望。 开发有效递送系统所面临的关键挑战与考量 针对基于CRISPR基因编辑技术的疗法开发有效的药物递送系统是一个复杂且至关重要的任务，涉及多个关键的考虑因素和挑战。首要的难点是保证递送系统可以精准地靶向特定的细胞和组织，同时最小化脱靶效应。这一目标需要通过精细的递送系统工程设计来实现，如选取合适的靶向配体和优化有效载荷，确保正确、准确地将其递送到目标位置。 递送系统的安全性也是至关重要的考虑因素，特别是其潜在的毒性和触发的免疫反应。例如，尽管某些病毒载体在药物递送上具有优势，但它们可能会激发体内的免疫反应，进而影响疗法的效果和安全性。此外，长时间的核酸酶表达也可能会增加健康风险，因此，在疗法进入临床试验之前，对其在临床前模型中的安全性进行深入评估是至关重要的。 此外，技术上的难题也不可忽视。CRISPR-Cas系统因其本身的大小和复杂性，可能不适用于某些递送策略，如某些病毒载体。这可能要求我们对CRISPR-Cas系统的结构和大小进行优化，确保它可以被选用的递送系统高效携带。 结语 为基于CRISPR基因编辑技术的疗法开发高效的药物递送系统是一项充满挑战的任务，不仅需要对多种复杂因素进行综合考虑，还涉及对不同层面的科学问题进行深入研究。尽管开发过程中存在诸多技术难关，但最新的递送系统工程技术和临床前研究进展已经为基于CRISPR的疗法朝向临床应用迈进提供了积极信号。 另外，随着基因编辑的递送策略及载荷的不断优化，肝外组织的靶向递送极有可能成为下一个焦点。值得强调的是，针对特定组织的高效递送技术可以为众多遗传疾病提供新的治疗策略，这得益于基于CRISPR的疗法所具备的广泛基因调控潜能。这些疗法的模块化设计及其在临床上的广泛应用前景，使得对基因编辑器与递送系统间互动机制的研究变得尤为关键。 鉴于递送系统在技术上的持续创新和完善，我们相信，基因编辑技术与个体化医疗领域将迎来更大的发展潜力。基于CRISPR技术开发的药物凭借其对遗传靶标的精准调控能力，有潜力引领遗传性疾病治疗的创新革命，进而推动医学领域整体走向一个新纪元。 最后，现阶段将基因编辑组件传递到肝外组织仍具挑战性，尽管如此，一些靶向非肝组织的纳米粒子的设计已在临床前研究中取得了进展，未来仍需进行更深入的研究。 综上所述，基于CRISPR的疗法在开发药物递送系统时需要考量多方面的因素，从靶向特异性、安全性到技术实现难度。虽然前方挑战重重，但随着递送系统工程技术和临床前研究的持续进展，这些挑战将被一一攻克，使基于CRISPR的治疗策略更快地走向临床实践。 本文内容转载自“药明康德”微信公众号。 原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/6wr2NCzD1KN6JYD6lg-foA
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