专访中科院王皓毅:与基因编辑“结缘”8年,CRISPR技术带来颠覆

2017-03-14 | 作者: 生物探索 | 标签: 王皓毅 CRISPR

生物探索编者按:记者初识此次的被访者要从Cell Research上的一项研究说起。在这篇论文,中科院青年科学家王皓毅研究组利用CRISPR-Cas9技术在CAR-T细胞中实现了多基因编辑,向通用型CAR-T又迈进了一步。近日,记者有幸采访了王皓毅研究员。除了详细解答该研究的设计思路及意义,王皓毅还分享了他与基因编辑技术长达8年的“缘分”、对基因编辑人类胚胎的态度,以及对国内外科研环境差异的看法。


专访中科院王皓毅研究员

2014年5月,青年科学家王皓毅结束了他在美国长达13年的求学之旅,加入了中科院动物所。近年来,他在基因编辑、干细胞、小鼠建模等领域取得了大量的研究进展,相关成果发表在Cell、Nature Biotechnology、Genome Research、Cell Research、Genetics等杂志上。2013年,他被著名科学网站GenomeWeb评选为全世界二十名最值得关注的青年科学家之一。

1、与基因编辑“结缘”8年,CRISPR是个重要的“新伙伴”


作为动物所基因工程技术研究组组长,王皓毅目前的研究很大一部分离不开基因编辑技术。他告诉记者,2017年已经是他与这一技术“结缘”的第8个年头。在MIT做博士后前期,他利用基因编辑技术TALEN(Transcription Activator-Like Effector Nuclease)做了大量的研究工作。之后,随着CRISPR的问世,研究组也迅速利用起了这一新型基因编辑工具。

他说:“我们之前就知道CRISPR这个系统的存在,但不太清楚它能不能发挥基因编辑作用。2012年,Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier在《科学》杂志发表的论文证实了CRISPR系统的基因编辑功能,但其能不能在哺乳动物细胞中发挥作用还不得而知。我们也尝试了相关的研究,但张锋和George Church带领的研究小组很快证实了CRISPR能够编辑人类细胞基因组。他们的文章发表后,我们很快从张锋的实验室取得了质粒,开展我们所擅长的工作,如,研究多能干细胞、用于小鼠建模等。这一重要技术的出现确实给我的科研生活带来了很大的帮助。”

2、利用CRISPR技术,在CAR-T细胞中实现多基因编辑

去年12月,王皓毅研究组利用CRISPR-Cas9技术在CAR-T细胞中实现了多基因编辑,相关成果以“CRISPR-Cas9-mediated multiplex gene editing in CAR-T cells”为题发表在Cell Research杂志上。

近几年,CAR-T技术作为癌症免疫疗法中的重要成员,给部分血癌患者带来了新的希望。然而,目前这一技术大多是从患者自身获取T细胞,在体外进行改造和扩增后再回输到患者体内,发挥抗癌作用。这种自体疗法存在几个问题:1)成本高,2)一些病人在经过了很大剂量的放化疗后,可能并不含有足够高质量的T细胞用于CAR-T细胞的制备;3)体外扩增需要一定的时间,不能马上使用。

那么,如何解决这些问题呢?王皓毅表示,异体CAR-T疗法是一个重要的研究方向。简单来说,就是像生产常规的药一样,用健康人的T细胞提前制备出大量通用型的CAR-T细胞,进行备用。但是使用异体供者T细胞制备出的通用型CAR-T细胞治疗患者必须保证其安全性,确保CAR-T细胞不攻击患者自身细胞,同时需要降低CAR-T细胞自身的免疫原性,避免被患者免疫系统攻击。

在上述研究中,王皓毅研究组利用CRISPR-Cas9技术将αβ T-cell receptor (TCR)从异体的CAR-T细胞中敲除,避免移植物抗宿主病(graft-versus-host-disease,GVHD)的发生;同时,将人类白细胞抗原(HLA)敲除,降低自身的免疫原性。

采访中,王皓毅向记者详细解释了选择敲除上述两个基因的原因。之所以敲除TCR,是因为这些受体会将患者自身细胞识别为异体,造成GVHD。之所以选择敲除HLA,是因为当异体CAR-T细胞输入患者体内后,患者的免疫系统也会识别并攻击这些“外来者”。这类识别大多数是通过MHC(人类的MHC通常称为HLA)这个分子实现的。因此,理论上来说,如果敲除了异体CAR-T细胞的MHC类分子,可以使其在一定程度上不被患者的免疫系统识别,能够帮助CAR-T细胞更好的存活。

此外,考虑到阻断PD-1信号通路(PD-1是与肿瘤免疫逃逸相关的T细胞表面抑制因子)在许多肿瘤类型中都取得了较好的疗效,研究人员同时在CAR-T细胞中敲除了PD-1基因,来阻断PD-1信号通路。结果表明,与普通CAR-T细胞相比,这些经过多重基因编辑的CAR-T细胞在体外及体内具有相当或更强的肿瘤细胞杀伤功能。

王皓毅表示,类似的研究之前也借助其它基因编辑技术开展过,包括用锌指核糖核酸酶(ZFN,Zinc-finger Nuclease)敲除T细胞中的基因、用TALEN敲除TCR生成异体CAR-T细胞等。他们研究组的早期工作证实了CRISPR技术能够在小鼠胚胎干细胞中同时敲除5个基因。此次将CRISPR技术应到到CAR-T细胞中是“一脉相承”的工作。

谈及CAR-T疗法的前景,王皓毅认为,不仅仅是CAR-T疗法,整个细胞治疗领域一直都面临着很多挑战。但是CAR-T疗法目前的一个问题是,它是个体化的。由于每个患者的细胞是千差万别的,因此制备的细胞质量差异较大,制备成本也较高。目前来说,走通用型CAR-T这条路或许能够解决一部分问题。

3、借基因编辑技术,回答基础科学问题


除了利用基因编辑进行一些应用型的研究,王皓毅还对很多基础的科学问题很感兴趣,如决定性别的基因。他说:“大家很早就知道,Y染色体上的Sry基因会导致一系列雄性特征的发育,但当把这个基因敲除后,即使拥有Y染色体,还是会发育成雌性。先前的研究中,我们把Sry敲除后,生成了一个可育的、具有Y染色体的雌性小鼠。虽然该基因的性别决定功能已经很清楚了,但是它在成体中的功能仍有很多值得探索的问题。这些问题是我们感兴趣的,也是利用基因编辑技术和建模技术能够去回答的。”

“我们感兴趣的另一研究方向是人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESCs)。hESCs还有很多问题没有弄清楚,包括naïve和primed两个不同多能性状态的区别,以及它们相关的一些表观遗传现象。”

4、支持基因编辑人类胚胎研究,但应用须“另当别论”


上个月,美国对基因编辑人类胚胎“亮黄灯”的消息引发了广泛的关注和讨论。美国国家科学院和美国医学科学院的22名科学家、医生、伦理学家、政策学者认为,应该允许科学家们在严格的监管下,利用成熟的基因编辑技术,对人类的精子、卵子或早期胚胎进行编辑,消除镰状细胞贫血、囊性纤维化等重大遗传疾病。

对此,王皓毅认为,科学研究永远是需要的,但研究是一回事,应用又是另一回事。只要相关的研究不以生殖为目的、有非常清晰的界定(如胚胎发育到多少天就必须停止),科学研究是一定要鼓励的。但如果谈到应用层面,涉及到的问题就更加复杂,如伦理问题、文化背景问题等等。这些问题不是光靠科学家们就能解决的。

5、基因编辑并不是传统概念的“转基因”,它属于GMO

对于基因编辑人类胚胎产生的婴儿,一些报道将其称为“定制婴儿”,而也有人将其与备受争议的“转基因”联系起来,称其为“转基因婴儿”。那么,基因编辑与转基因之间究竟是什么关系呢?

王皓毅向记者解释道:“转基因生物对应的英文定义是Genetically Modified Organisms(GMO)。如果根据英文定义理解,只要生物的基因改变了,就属于GMO的范畴。但事实上,大家常说的“转基因”与GMO并不完全是一个概念。转基因的字面意思是,将基因转到一个物种中。这就包括了:1)将一个物种的基因转到另一个不同的物种中,2)在同一物种间进行转基因,如将黑色狗的基因转到白色狗中。”

“如果强调基因的转入,那基因编辑与转基因有很大的不同。基因编辑技术更多的是在原位基因上进行修改,如敲除基因、精确修改单个碱基等;当然也存在利用基因编辑技术将大的基因片段精确插入到基因组中的情况。所以,不能简单地将基因编辑与转基因进行等同,但这些修饰都包含在GMO这个概念里。”

关于“转基因”,王皓毅还谈到,关于任何事件的结论都应该基于科学的数据。在反对或者拥戴一个观点前,参与者应该先了解和学习被讨论的东西究竟是什么,然后再作出独立的判断。

6、环境决定个体研究层次,做科研不应只为生存

从迈阿密大学,到华盛顿大学,再到MIT Whitehead研究所,王皓毅在美国的科研环境中待了13年之久。谈及在国外和国内做科研的差异,他表示,环境在很大程度上决定了个体的研究层次。美国的科研环境不单纯是指一个具体的学校,而是一个整体的环境,比如在波士顿,很多顶级院校距离很近,想解决一个技术问题,跨两条街可能就能找到世界上最顶级的专家。这为研究者之间互相交流和学习提供了便利。不经意的探讨可能会带来很多灵感,或者达成合作。

“目前,国内在这一方面还存在一定的差距,但是随着国内科研条件的提升,以及一批批年轻的科学家加入到这一环境中,我相信很快就会形成更为丰厚的土壤, 沉淀出更好的科研氛围。当然,产生这样的化学反应是需要时间的,也不是靠一两个科学家就能做到的。”

采访的最后,当被问及如何才能取得创新性、突破性的研究成果,王皓毅表示,这是科研人员都会面临的挑战。作为一个新建研究组的研究员,需要考虑如何才能找到突破口,建立自己的优势。这其中涉及了“求生存”与“保持科研初心”之间的平衡问题。

他说:“不管从事什么职业都需要解决生存问题,但如果只是为了生存,做科研就没有什么意义了。对我而言,做科研最主要还是在一定程度上有精神上的自由,探索感兴趣的未知领域,做到一些从未做过的事。” 

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来源:生物探索

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