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艾伦研究所、陈·扎克伯格基金将投资7000万美元共建合成生物学中心,有望揭示疾病“背后的秘密”

2023年12月初,艾伦研究所(Allen)、陈·扎克伯格基金会(CZI)和华盛顿大学(UW)宣布合作建立一个新的合成生物学中心——西雅图合成生物学中心(Seattle Hub for Synthetic Biology)。该中心建立在CRISPR-based细胞追踪技术和使用基因组作为生物记录仪的基础上,旨在开发能够记录细胞随时间变化遗传历史的新型技术。这项研究计划被称为“基因组智能手表”,有可能对医疗保健产生影响并揭开疾病的秘密。

近日,Allen研究所和CZI分别承诺将在五年内出资3500万美元(共计7000万美元)用于西雅图中心的建设、运行,该中心将进驻位于西雅图南湖联盟地区的Dexter Yard实验室空间。这是继旧金山第一家Chan Zuckerberg生物中心,位于芝加哥与加利福尼亚州红木城的第二、三家研究所以及纽约细胞生物中心之后的第5个研究所。

目前,随着智能手表市场的不断创新、扩大,人们能够利用其监测到的数据(如心率和血压等)越来越多,也越来越方便,经常有报道称智能手表技术挽救了生命。但这种实时跟踪在基因层面还无法实现,科研人员只能在癌症等致残性疾病肆虐细胞之后,才能看到基因变化的最终结果。这便是西雅图合成生物学中心成立的初衷,希望通过 "基因组智能手表 "解决的上述难题。传统方法提高了人们对基因表达背后过程的理解,但该中心旨在让人们了解细胞的整个历史。

西雅图合成生物学中心由华盛顿大学医学研究人员共同领导,希望通过基因研究的前沿技术,如单细胞多组学和人工智能增强基因修饰来记录细胞基因组的内部运作。与Garmin Venu 2 Plus等健身追踪器实时监测心脏健康状况的方式类似,西雅图合成生物学中心承诺,这项技术将主动观察亚细胞变化,甚至在遗传疾病发生之前就为临床医生提供治疗遗传疾病所需的信息

“想象一下,这项研究计划相当于将智能手表放入你的每个细胞中,记录基因组本身以及细胞所经历的一切。”西雅图中心主任、华盛顿大学Jay Shendure博士补充道,“目前,生物学家进行监测时通常局限于使用显微镜观察一些东西随时间的变化,或在最后打开细胞时才能检测到全部。有了这种基因智能手表,人们可以查看每个细胞的完整‘自传’,而不仅仅是最后一页。”

Allen研究所总裁兼首席执行官Rui Costa博士:“我们非常高兴能够进入这个新的合作时代,共同合作解决大型大胆的创新计划项目。我们正在召集基因组工程和合成生物学方面的专家,以推进一个实验新时代,这将使我们能够记录细胞中生物事件的历史,并最终设计出新的、智能的疾病干预措施。”

CZI联合创始人兼联合首席执行官Priscilla Chan表示:“我们身体里的每个细胞都有自己独特的历史。通过开发新技术来检测和了解我们细胞的历史,包括它们如何受到周围环境、基因突变和其他因素的影响,可以在细胞水平帮助科学家了解从健康到生病时发生的变化,并帮助查明疾病的最早原因。”

据报道,该项目将建立在两项核心技术基础上,即DNA Typewriter和ENGRAM,其均由Shendure实验室开发。

DNA Typewriter于2022年由Jay Shendure、Junhong Choi等研究人员合作开发,是一种能够在体内进行分子记录的通用系统,克服了现有DNA基因记忆设备在同时记录不同的“符号”数量和事件发生顺序方面的限制,提供了进行体内分子记录的能力。DNA Typewriter使用ENGRAM系统,这是一种基于原始编辑的系统,通过将生物信号与向导RNA的产生相耦合,可将序列插入到非活性CRISPR靶点的基因组片段中。

具体而言,DNA Typewriter的空白记录介质(“DNA磁带”)由一系列部分CRISPR-Cas9靶位点串联而成,除第一个位点外,其他位点都在其5'端被截断,因此没有活性。短插入式编辑用作符号,记录了介导编辑的主编辑向导RNA的身份,同时也将“类型向导”在DNA磁带上向前移动一个单位,即顺序基因组编辑。

西雅图中心将继续推进基于CRISPR的基因组编辑在细胞历史学中的应用,这是Shendure从最早2016年开始就一直在努力实现的目标,他的实验室是当时发表论文的几个实验室之一,展示了使用CRISPR在DNA中记录信息的能力。2016年,Shendure和当时在哈佛大学的Alexander Schier发表了一种称为“Genome Editing of Synthetic Target Arrays for Lineage Tracing(GESTALT)”的方法,可用于细胞谱系追踪。大约在同一时间,MIT的Timothy Lu提出使用CRISPR作为细胞事件的记忆装置;George Church的哈佛实验室(Shendure曾在此读研究生)也描述了一种可用于谱系追踪和分子记录的技术。

除DNA Typewriter和ENGRAM外,西雅图中心还将开发其他互补技术,如大规模DNA合成和基因组着陆平台。此外,该中心将试图表征基因在体内的功能。“我们目标是将分子细节与时间联系起来,以便更好地理解功能通路和基因”Shendure说道。

西雅图中心的早期工作将集中在生物发育和免疫学方面。“免疫系统几乎影响着人类健康的每一个领域,因此对基因如何导致健康和疾病变化进行深入了解,有可能产生广泛的影响潜力”,Shendure表示,“发育和免疫学都有出色的体外和体内模型,我们可以在这些模型上快速迭代以促进技术的发展,其都是复杂的、时间动态的系统,传统的测量范式无法解决长期存在的问题。”

研究人员表示,西雅图中心将致力于“开放科学”,并将分享其研究成果。该中心计划发布预印本,遵循FAIR数据原则,并向科学界公布研究数据、工具和方法。“我们已经在自己的工作中遵循开放科学的实践,并将这些实践推广到新中心,”西雅图中心的领导团队在一封电子邮件中表示。

但目前尚不清楚该中心开发的任何技术是否都会对外开放许可,Shendure已申请了一项基于两项核心技术的“多重、时间分辨的分子信号记录器及相关方法”的专利。

参考文献:
1.Allen Institute, Chan Zuckerberg Initiative Commit $70M Toward New UW Synbio Center

https://www.genomeweb.com/research-funding/allen-institute-chan-zuckerberg-initiative-commit-70m-toward-new-uw-synbio-center

2.https://www.prnewswire.com/news-releases/seattle-hub-for-synthetic-biology-launched-by-allen-institute-chan-zuckerberg-initiative-and-the-university-of-washington-will-turn-cells-into-recording-devices-to-unlock-secrets-of-disease-302005426.html

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本文由 SEQ.CN 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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