为什么你一直在研究消除整个性染色体?

众所周知，CRISPR/Cas9是一种有效的基因编辑工具，该方法已被广泛应用于针对特定的单导RNA (sgrna)进行基因或基因组区域编辑。我们最初计划利用CRISPR/Cas9系统来研究Y染色体基因的生物学功能。Y染色体是高度专门化的男性分化和生育。然而，到目前为止，在靶向敲除小鼠中只有少数基因的生物学功能得到了评估。因此，除了Y染色体的单拷贝基因外，我们还检测了Y染色体的多拷贝基因是否能被有效删除。令我们惊讶的是，我们发现删除多拷贝基因，Ssty1，Ssty2和Rbmy1a1，导致男性胚胎的性别逆转。实验数据显示，性逆转是由整个Y染色体的缺失引起的，而不是多拷贝基因的敲除。因此，一个完整的染色体，包括性染色体X和Y，以及一个常染色体，可以被特定染色体上的多个DNA分裂所删除，这是由一个sgRNA靶向多个染色体特定位点或多个sgRNA鸡尾酒，每个sgRNA靶向一个特定位点所诱导的。

你的研究如何建立在以前的研究之上?

随着CRISPR/Cas9技术的出现，科学家们一直在尝试将该技术应用于多个领域，包括基因删除、基因插入、大片段删除和染色体易位。然而，是否可以通过CRISPR/Cas9删除整个染色体是一个有趣的问题。以往的研究表明，通过在目标染色体上插入相对定向的loxP位点，然后cre介导的姐妹染色单体重组，可以实现目标染色体的消除。或通过将TKNEO转基因插入目标染色体的一个副本，然后通过自发的染色体丢失对染色体缺失克隆进行药物选择。这两种方法都需要两步操作，获得染色体缺失细胞的产量低，因此不适合在活的有机体内研究。相比之下，CRISPR/ cas9介导的靶向染色体消除为建立染色体缺失动物模型提供了一种新的方法，也为涉及额外染色体的人类非整倍体疾病提供了一种潜在的治疗策略。

这项技术的临床意义是什么?你能强调一下未来可以防止的一些具体情况吗?

非整倍体是一种与染色体的增加或删除有关的人类遗传疾病，在婴儿期或儿童期会导致显著的发病率和死亡率，包括唐氏综合征(额外21例)、克兰费尔特综合征(额外X例)或XYY综合征。利用CRISPR/Cas9介导的靶向染色体消除，可以选择性地在培养的细胞、胚胎和更重要的组织中消除额外的染色体在活的有机体内，为非整倍体疾病提供了一种潜在的治疗方法。然而，当通过这种方法删除两条同源X染色体中的一条时，我们发现剩余的X染色体也发生了突变。我们认为，基于单核苷酸多态性，使用sgrna只针对两条或三条同源染色体中的一条，可以避免其余一条染色体(XXY和XYY综合征)或两条染色体(唐氏综合征)中的这些突变。非整倍体也是癌症的一个特征。CRISPR/Cas9介导的靶向染色体消除为研究非整倍体在肿瘤发生中的作用提供了一种新的方法，并为广泛的人类肿瘤提供了一种潜在的治疗策略。

你能描述一下你是如何消除整个染色体的吗?主要的挑战是什么?

CRISPR/Cas9就像一个分子剪刀，可以在sgRNA的引导下，特异性地切割DNA序列中的指定位置。从本质上讲，染色体是一系列非常长的DNA序列，上面有重复的序列。这些重复的序列以特定的间隔出现。通过设计针对这些重复序列的sgrna, CRISPR/Cas9可以打破染色体中的所有重复序列。你可以把它想象成一条领带被切断数百次，染色体就会被破坏，超出细胞修复的限度。因此，目标染色体在细胞分裂过程中不能参与DNA复制过程，并在后代中消失。

这项技术的主要挑战是如何有效地诱导多个DNA裂解。不同重复序列的染色体删除效率不同，很难预测这些重复序列是否“工作良好”。另一个挑战是如何选择性地针对两条或三条染色体中的一条。

像CRISPR这样的基因编辑技术的伦理含义是什么?

作为基因编辑领域的研究人员，我们都相信这项技术将在治疗中发挥重要作用。同时，我们充分理解当今社会对该技术的伦理担忧，因此我们始终支持和遵守有关人类生殖细胞编辑、恐怖主义、威胁生态安全等国际干细胞会议专家提出的伦理指南等。在使用该技术治疗患者之前，有许多问题需要解决，如靶向效率，交付方式和脱靶效果。所有的技术都需要有必要的规则来约束，因此我们会与社会各界进行沟通，以确保人和环境的安全。