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乳腺癌|【诺奖时间】基因“魔剪”和乳腺癌的不解之缘

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2020年诺贝尔化学奖授予Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier两位科学家 ， 以表彰她们发明CRISPR-Cas9的基因修饰方法 。 CRISPR-Cas9已广泛应用于操纵细胞培养和动植物基因编辑 ， 包括肿瘤的研究和治疗；而这项基因“魔剪”技术与乳腺癌之间也有着许多“不解之缘” 。
乳腺癌|【诺奖时间】基因“魔剪”和乳腺癌的不解之缘
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Emmanuelle Charpentier（左）和Jennifer Doudna（右）
“同源重组”打开基因编辑的潘多拉盒子
CRISPR-Cas9是继锌指核酸内切酶（ZFN）和类转录激活因子效应核酸酶（TALEN）之后出现的第3代基因编辑技术 ， 主要由Cas9蛋白和单链前导RNA（sgRNA）所组成 ， 其中Cas9蛋白起到切割DNA双链的作用 ， sgRNA起引导的作用 ， 在sgRNA的引导下通过碱基互补配对原则 ， Cas9蛋白可对不同的靶部位进行切割 ， 实现DNA的双链断裂 。
乳腺癌|【诺奖时间】基因“魔剪”和乳腺癌的不解之缘
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诺贝尔奖颁给了两位女性科学家 ， 是因为她们首次在体外证明使用Cas9的CRISPR系统可以切割任意DNA链 。 但在CRISPR-Cas9“魔剪”技术的背后 ， 人们没有忘记其他科学家的一些开创性工作 ， 比如为基因编码技术奠定基础的“同源重组”研究 。
上世纪90年代 ， 另一位女科学家Maria Jasin发现BRAC1/2突变和遗传性乳腺癌具有很强的相关性 ， BRCA基因参与DNA同源重组介导的DNA修复 ， 加深了人们对DNA修复机制的理解 。 今天 ， 利用“合成致死”原理的PARP抑制剂已经广泛应用于携带BRCA突变的乳腺癌治疗 。
Jasin在研究同源重组的过程中 ， 使用了一种限制性核酸内切酶（I-SceI）来达到DNA断裂 ， 并发现细胞基因组发生了改变 。 她的工作表明 ， 基因组中的DNA双链断裂可以应用染色体外模板 ， 通过同源重组来修复 ， 这为当前的CRISPR-Cas9等基因组编辑方法奠定了基础 。
基因“魔剪”在肿瘤领域的应用
CRISPR/Cas9具有操作简单、特异性强、效率高等优势 ， 可以利用其对细胞的基因组进行编辑 ， 从而探究肿瘤发生、发展和转移的机理 。 此外 ， 还可以对引发肿瘤的基因突变进行修复 ， 或对特定蛋白分子进行敲除 ， 从而实现肿瘤的治疗 。
构建动物模型——传统的肿瘤动物模型构建是利用同源重组技术对胚胎干细胞（ES）进行基因编辑 ， 获得敲除动物的时间长 ， 饲养成本高 。 CRISPR/Cas9不需要建立复杂的ES细胞系 ， 大大简化了动物模型的建立 。 基因编辑先锋科学家张峰已经通过CRISPR/Cas9建立了小鼠肝癌、肺癌模型 。
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肿瘤机制研究——离体细胞培养是研究肿瘤发病机制所不可缺少的 。 CRISPR/Cas9可以更方便快捷地获得肿瘤细胞系 。 此外 ， CRISPR/Cas9还可以进行规模化的基因筛选、修饰 ， 从而发现有价值的致病基因、耐药基因或治疗靶点 。
基因修复和敲除——原癌基因的激活与抑癌基因的沉默均可以导致肿瘤的发生 。 CRISPR/Cas9敲除原癌基因或修复抑癌基因提供了一种新的肿瘤治疗思路；此外 ， CRISPR/Cas9还可以对肿瘤患者的T细胞进行基因修饰 ， 从而打破机体的免疫耐受 ， 提高CAR-T制备率和功能 ， 以及增强对免疫检查点抑制剂的免疫原性等 。
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基因“魔剪”在乳腺癌领域的应用
科学家在研究乳腺癌的过程中发现了“同源重组” ， 为后来的基因编码技术奠定了重要基础 。 今天 ， CRISPR/Cas9在乳腺癌领域也同样有很多应用 ， 大致上与前述应用无出其右 。 此处以3个例子来简单了解一下 。
乳腺癌模型的建立——浸润性小叶癌（ILCs）在乳腺癌中相对少见 ， 占8-14% ， 其特征是非粘连的上皮细胞以单列形式侵犯邻近组织 ， 并伴有大量的成纤维细胞和胶原沉积 。 大多数人类ILCs都会丢失细胞粘附蛋白E-cadherin 。 利用CRISPR/Cas9在小鼠局部注射Cre重组酶 ， 可诱导E-cadherin失活和AKT-E17K激活 ， 从而形成典型的侵袭性小叶癌症 。
乳腺癌治疗靶点——HER2外显子是乳腺癌的驱动因素之一 ， 在乳腺癌细胞中有多个拷贝 。 HER2外显子12的框移突变可导致HER2显性阴性突变表型 ， 这种改变可抑制HER2下游信号的MAPK/ERK轴和癌细胞增殖 。 CRISPR/Cas9不完全靶向致癌基因的显性阴性突变体可能是一个潜在的治疗靶点 。
乳腺癌耐药基因——PARP抑制剂已经临床应用于BRCA突变乳腺癌的治疗 。 一些患者虽然最初表现出改善 ， 但最终会发生药物抵抗和疾病进展 。 CRISPR/Cas9技术表明 ， BRCA1基因的种系突变被体细胞选择性剪接绕过 ， 从而导致对抗癌治疗的耐药性 。
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结语
在乳腺癌的研究过程中 ， 利用“同源重组”原理已经开发了PARP抑制剂等新型靶向药物；与此同时 ， “同源重组”还为基因编码技术提供了理论基础 。 目前 ， CRISPR/Cas9技术已经在乳腺癌以及其他肿瘤领域都展现了巨大的应用潜力 。 然而 ， 我们需要清楚地认识到 ， 这项技术还存在很多尚未解决的问题 ， 比如脱靶效应 ， 应用于人体时的伦理问题、安全性问题等 。 希望在科学家的不懈努力下 ， CRISPR/Cas9能够早日助力人类攻克癌症 。
参考文献：
[1]Zhan T, Rindtorff N, Betge J, Ebert MP, Boutros M. CRISPR/Cas9 for cancer research and therapy. Semin Cancer Biol. 2019;55:106-119. doi:10.1016/j.semcancer.2018.04.001
[2]Yang H, Jaeger M, Walker A, Wei D, Leiker K, Weitao T. Break Breast Cancer Addiction by CRISPR/Cas9 Genome Editing. J Cancer. 2018;9(2):219-231. Published 2018 Jan 1. doi:10.7150/jca.22554
[3]D. Cyranoski. CRISPR gene-editing tested in a person for the first time. Nature, 539 (2016), p. 479, 10.1038/nature.2016.20988
（来源：《肿瘤瞭望》编辑部）
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