CRISPR / Cas 基因编辑的 ERC 定位研究前沿

在几十年里，科学的进步速度惊人，经常是由于新科技的发现所推动。CRISPR/Cas 技术的出现彻底改变了生物研究领域，通过实现快速且经济高效的基因编辑，为解决复杂的科学难题开辟了创新途径。 自2012年这项技术的开创性发现以来，科学家们采用和利用CRISPR/Cas技术的速度令人瞩目，ERC的项目组合也不例外。 这份事实简报首次强调了CRISPR/Cas技术对于ERC资助研究的重要性，主要集中在生命科学（LS）领域。通过其“自下而上”的方法，并仅基于卓越性选择项目，ERC已支持了超过1000名科学家使用或改进CRISPR/Cas技术，投资总额达到26.6亿欧元。仅在2022年，LS领域的ERC资助项目中有超过一半涉及CRISPR/Cas的某些应用或开发。 该事实文件还展示了基础研究在推动技术进步及其应用方面的重要性。值得注意的是，超过1/8的ERC资助的CRISPR/Cas技术项目属于应用科学领域，旨在解决生物医学、农业、药理学和微生物技术等领域的新挑战。 这个例子生动地展示了由好奇心驱动的科学如何迅速转化为对社会有益的实际知识。 Introduction 欧洲研究理事会（ERC）是欧洲领先的资助机构，专注于资助前沿研究，根据科学卓越性选择项目，而不预先设定任何特定的科学或政策优先事项。本报告描述了由ERC资助、出于好奇心驱动的研究如何通过CRISPR/Cas基因编辑技术的应用或开发促进知识的进步。 CRISPR/Cas 技术的发展与应用很可能在过去15年中是生命科学领域最重要的进步之一，这一进步在2020年化学诺贝尔奖授予Charpentier和Doudna“开发基因编辑方法”时得到了体现。利用CRISPR/Cas 技术生成基因修饰 organism 的简便性、速度和低成本在当今的遗传学研究中无可匹敌。 CRISPR/Cas 技术在各个领域展现出巨大的潜力，通过治愈遗传疾病推动医学进步，促进改良作物的发展，或重新定义传统的微生物生物技术方法。该技术对于当前的政策反思具有重要意义。1在欧盟部署新的基因组技术（NGTs），以及作为促进生物技术和生物制造产业发展的手段。2,3. alongside 这一承诺，同时，还存在伦理、法律和安全方面的担忧，包括意外基因突变或人类生殖系编辑的风险。这些担忧通过地平线欧洲综合伦理和监管框架得到解决，该框架适用于所有由ERC资助的研究。4. 这份文件概述了由ERC资助的基因编辑研究情况，特别是利用CRISPR/Cas技术或对其改进和深入理解的项目。它是该系列报告的一部分。ERC 制图前沿研究报告 ， 从科学和监管的角度来看 ， 这个话题越来越重要。 基因编辑与 CRISPR / Cas 系统 人类在数千年的时间里通过饲养动物和种植植物来选择遗传特性，旨在要么提高作物产量，要么改善食物质量以支持不断增长的人口。现代生物学的研究成果使我们能够进一步优化这一过程。 科学进步往往以重大的技术突破为特征。单克隆抗体的产生、聚合酶链反应（PCR）的发明或荧光蛋白的应用对生命科学产生了巨大的影响。DNA编辑技术广泛用于以特定和受控的方式修改基因。例如，在CRISPR/Cas技术开发之前，通过同源重组增加基因的额外拷贝（转基因）或通过同源重组中断或替换基因都是基因修饰的方法（Jinek等，2012）。1993年CRISPR序列的鉴定（莫吉卡等，1993），以及随后将该技术用于基因修饰的发展（Jinek等，2012；加西纳斯等，2012），彻底改变了现代生物学中遗传实验的格局。 集群规律间隔短回文重复（CRISPR）是存在于细菌和古菌基因组中的DNA序列，与Cas蛋白共同作用，作为对抗病毒的免疫防御系统。该系统已被广泛研究，并被改编成一种先进的工具，用于精确的基因编辑，通过使基因修改过程变得快速且成本效益高来简化这一过程。 CRISPR/Cas 系统主要有两个组成部分；一个定制的向导 RNA 分子（gRNA），它提供了针对目标基因的特异性；以及一种“分子剪刀”（Cas 蛋白），它可以在 DNA 上执行预定的切割。这使得研究人员能够修改特定基因并在细胞、动物或植物中改变其功能，具有广泛的应用前景，包括基础研究、农业、生物技术以及人类健康领域（如图 1 所示）。 如何 CRISPR / Cas图1：CRISPR/Cas系统包含一个定制的向导RNA（gRNA），它能够特异性地识别目标序列，或如图所示的匹配基因组序列。Cas9蛋白是一种酶，能够在目标序列上发挥类似剪刀的作用进行切割。当Cas9切割DNA链后，细胞的自然修复机制会被激活以修复断点。然而，科学家可以通过工程改造这些修复机制来实现不同的结果，例如删除或插入基因的一部分。这种方法已经被成功应用于遗传修饰细胞、动物和植物。 ERC 前沿 CRISPR / Cas 基因编辑研究综述 我们基于CRISPR/Cas相关的关键词对全部Horizon 2020（2014-2020）和Horizon Europe（2021-2022） ERC资助项目进行了全面搜索。我们发现，共有1297个项目涉及CRISPR/Cas技术的应用或开发，总资金达到26.6亿欧元（如图2所示）。 这些项目涵盖所有ERC 赠款计划并且涵盖了广泛的科学领域，但CRISPR/Cas技术在生命科学（LS）领域尤为突出，涉及1189个项目。在物理科学与工程（PE）领域有23个项目，在社会科学与人文学科（SH）领域有一个项目。剩余的84个项目中，有55个是概念验证项目（Proof of Concept），29个是协同资助项目（Synergy Grants），未被包含在上述三个领域之中。来自SH和PE领域的CRISPR/Cas项目覆盖了广泛的研究领域，突显了该技术所支持的科学研究多样性。这些研究包括认知科学、纳米材料、生物工程、CRISPR/Cas的生化和生物物理方面，以及开发用于生物医学应用的工具。 如图3所示，自2014年起，CRISPR/Cas技术就被用于ERC资助的生命科学（LS）领域项目中的25%，到2022年，这一比例已经超过了一半。这一增长凸显了ERC资金与研究人员迅速且广泛采用创新技术和重大发现的高度契合。 ERC 前沿研究中的 CRISPR / Cas 基因编辑 ： 从基础科学到应用 ERC资助的前沿研究包括解决基础问题（基础科学）的项目，以及将现有知识应用于解决实际挑战的项目（应用科学）。 为了区分这两种类型的项目，ERC 的 CRISPR/Cas 项目组合通过系统分类进行了分析。其中，“基础科学”类别包括提供对生物学原理或机制、包括人类疾病或 CRISPR/Cas 技术的改进和研究的见解的项目。第二类“应用科学”指的是直接且明确地针对以下四个领域的应用项目的： • 农业与植物生物技术：生成或研究具有农业价值的转基因组织，如提高作物产量、食品质量、可持续性或病虫害抗性。• 微生物生物技术：用于工业应用的微生物，包括食品和饮料生产、化学品、材料和生物燃料的生物制造，以及生物修复，如废物管理或塑料的生物降解。• 药理学：药物开发、药物发现、药物筛选（包括识别潜在的药物靶标）、通过基因修饰验证靶标或研究药物化合物的作用机制。• 医学生物学：治疗医学条件、诊断、预临床或临床研究以测试干预措施在人体受试者中的安全性和有效性。 大多数本研究中的CRISPR/Cas项目（1,112个项目，占86%）属于“基础科学”类别。剩余的185个项目（占14%）属于“应用科学”类别。在这部分项目中，生物医学项目最多，其次是农业、药理学和技术微生物学（图4）。 遗传学发育生物学癌症研究 - 肿瘤学免疫学 细胞生物 使用非分层的方法进一步分析了投资组合 学测绘前沿研究(MFR)分类法。该分类系统提供了ERC项目组合内容的概览。图5展示了科学学科的词云表示（5A），以及微生物学使用或开发 CRISPR / Cas 技术的主要主题 (5B) 。生物化学干细胞再生生物学遗传学分子生物学神经科学 发育生物学癌症研究 - 肿瘤学免疫学干细胞再生生物学细胞生物学微生物学分子生物学生物化学神经科学 细胞分化 图 5BCRISPR / Cas 组合中的映射前沿研究学科(A) 和主题(B) 。两者图 5 ： 词云是指被归类为 “基础科学 ” 的项目。词云说明了细胞分化CRISPR / Cas 组合中的学科和主题。细胞信号基因调控DNA 合成蛋白质合成细胞周期细胞信号干细胞 - 组织 - 修复基因调控RNA 合成表观遗传学DNA 合成蛋白质合成 此外 ， 根据 ERC 面板结构检查了 CRISPR / Cas 项目组合5. 图6显示了这一分布，即每个小组中CRISPR/Cas项目的数量，并且区分了基础科学项目和应用科学项目。基础科学组中的大多数CRISPR/Cas项目位于LS2、LS3和LS4小组中，而应用科学项目主要集中在LS7和LS9小组中。 这些数据展示了该技术在各个科学学科中的广泛影响以及LS领域内涉及的多样主题。在分析的项目中，我们识别出了超过30个项目，这些项目与相关专利关联，并涵盖了基础科学和应用科学两大类别，明确提到了CRISPR/Cas技术。例如，这些项目包括开发新的RNA测序方法或用于视力障碍的基因疗法。 在后续部分，我们将提供这些项目的一些示例以及可用情况下产生的专利和衍生公司。 整个投资组合在 ERC 面板中 CRISPR / Cas 项目分布的树图图6：（6A）对于归类为基础科学的项目（6B），以及归类为应用科学的项目（6C）。图表显示了每个小组的项目总数。在图6A中，当CRISPR/Cas项目的比例超过1%时，还展示了这些类型项目的百分比，以说明这些类型项目在各小组中的重要性。CRISPR/Cas项目的百分比是本报告所考虑期间（2014-2022年）最后三年中CRISPR/Cas项目平均值的百分比。 ERC 项目 ： 示例 CRISPR / Cas 对基础科学的重要性和影响 CRISPR/Cas技术的影响主要集中在生命科学领域。在这个领域内，大多数项目属于基础研究类别，即旨在发现基本机制的研究，而不考虑潜在的未来应用。 本节展示了ERC资助的CRISPR/Cas项目在LS领域内的多样性及其在基础科学背景下的情况。 尽管有机体内的所有细胞几乎具有相同的DNA，但它们的功能各不相同。细胞的专业化取决于其基因表达的调控，这确保了每种细胞类型仅表达与其功能相关的基因。CRISPR/Cas 的使用在基因调控、功能性基因组学以及生命在分子层面的过程研究中发挥了关键作用。 • 项目EpigenomeProgramming使用CRISPR/Cas技术，结合计算方法，研究癌症中表观遗传调控基因的改变。由Christoph Bock领导的研究中心主导。 分子医学（CeMM）研究所（位于维也纳），该项目的一个成果是一项新的RNA短片段测序方法的专利。欲了解更多信息，请访问该项目的官方网站。网站. • 细胞分化为特定细胞类型是胚胎发育过程中的必要步骤。尽管已有一些分子决定因素被确定，但仍有一些未知的分子决定因素。DECODE该项目通过编辑基因组研究了复杂组织的结构拟南芥and果蝇体内实验。研究人员使用了CRISPR/Cas技术，创建了这些模式生物的基因修改个体细胞图谱。更多详细信息可参见：网站由德国癌症研究中心（DKFZ）海德堡的Michael Boutros、欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Wolfgang Huber、海德堡大学研究中心组织体研究所的Jan Lohmann以及DKFZ和EMBL的Oliver Stegle开展的Synergy项目。 • 多种因素和环境条件可能会损伤DNA，潜在地影响细胞的功能和增殖。为了避免DNA损伤带来的有害后果，细胞进化出了多种修复DNA损伤的机制。该项目altEJrepair研究了替代末端连接DNA修复机制，并使用CRISPR/Cas来研究与该途径相关的突变特征。由巴黎居里研究所Rapha