CRISPR / Cas 基因编辑的 ERC 定位研究前沿

CRISPR/CAS技术：基因编辑✁革命 I1 前言 在几十年里，科学✁进步速度惊人，经常是由于新科技✁发现所推动。CRISPR/Cas技术✁出现彻底改变了生物研究领域，通过实现快速且经济高效✁基因编辑，为解决复杂✁科学难题开辟了创新途径。 自2012年这项技术✁开创性发现以来，科学家们采用和利用CRISPR/Cas技术✁速度令人瞩目，ERC✁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✁重要性，主要集中在生命科学 （LS）领域。通过其“自下而上”✁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✁ERC资助项目中有超过一半涉及CRISPR/Cas✁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✁重要性。值得注意✁是，超过1/8 ✁ERC资助✁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✁新挑战。 这个例子生动地展示了由好奇心驱动✁科学如何迅速转化为对社会有益✁实际知识。 Introduction 欧洲研究理事会（ERC）是欧洲领先✁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✁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✁研究如何通过CRISPR/Cas基因编辑技术✁应用或开发促进知识✁进步。 CRISPR/Cas技术✁发展与应用很可能在过去15年中是生命科学领域最重要✁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✁简便性、速度和低成本在当今✁遗传学研究中无可匹敌。 CRISPR/Cas技术在各个领域展现出巨大✁潜力，通过治愈遗传疾病推动医学进步，促进改良作物✁发展，或重新定义传统✁微生物生物技术方法。该技术对于当前✁政策反思具有重要意义。1在欧盟部署新✁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✁ 手段。2,3. alongside这一承诺，同时，还存在伦理、法律和安全方面✁担忧，包括意外基因突变或人类生殖系编辑✁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✁研究。4. 这份文件概述了由ERC资助✁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✁项目。它是该系列报告✁一部分。ERC制图前沿研究报告，从科学和监管✁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✁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✁人口。现代生物学✁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✁技术突破为特征。单克隆抗体✁产生、聚合酶链反应（PCR）✁发明或荧光蛋白✁应用对生命科学产生了巨大✁影响。DNA编辑技术广泛用于以特定和受控✁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✁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✁方法（Jinek等，2012）。1993年CRISPR序列 ✁鉴定（莫吉卡等，1993），以及随后将该技术用于基因修饰✁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✁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✁DNA序列，与Cas蛋白共同作用，作为对抗病毒✁免疫防御系统。该系统已被广泛研究，并被改编成一种先进✁工具，用于精确✁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✁向导RNA分子（gRNA），它提供了针对目标基因✁特异性；以及一种“分子剪刀”（Cas蛋白），它可以在DNA上执行预定✁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✁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）。 DNA 如何CRISPR/Cas CRISPR/CAS RNA指南 Cas9 匹配基因组序列 图1：CRISPR/Cas系统包含一个定制✁向导RNA（gRNA），它能够特异性地识别目标序列，或如图所示 ✁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✁作用进行切割。当Cas9切割DNA链后，细胞✁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✁结果，例如删除或插入基因✁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。 删除特定✁ 基因序列 介绍具体 基因序列 基因被破坏基因有一个新✁序列 ERC前沿CRISPR/Cas基因编辑研究综述 我们基于CRISPR/Cas相关✁关键词对全部Horizon2020（2014-2020）和HorizonEurope（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 ✁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✁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✁84个项目中，有55个是概念验证项目（ProofofConcept），29个是协同资助项目（SynergyGrants），未被包含在上述三个领域之中。来自SH和PE领域✁CRISPR/Cas项目覆盖了广泛✁研究领域，突显了该技术所支持✁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✁生化和生物物理方面，以及开发用于生物医学应用✁工具。 1297 项目 26.6亿 预算 1329研究人员在24个国家 1189项目生命科学 23个项目物理科学与工程 1项目社会科学和人文科学 StG CoG AdG PoC SyG 启动Grants 459个项目 ConsolidatorGrants 402项目 概念协同作用✁高级证明 GrantsGrantsGrants352个项目55个项目29个项目 2014-2022年期间ERC资助项目✁CRISPR/Cas技术概述。StG：开始 图2：赠款；CoG：合并方赠款；AdG：高级赠款；PoC：概念证明；SyG：协同赠款。 如图3所示，自2014年起，CRISPR/Cas技术就✲用于ERC资助✁生命科学（LS）领域项目中 ✁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✁高度契合。 使用CRISPR/Cas技术✁ERCLS项目✁百分比（%) 随着时间✁推移，使用CRISPR/Cas✁ERC生命科学(LS)项目✁百分比。自2012年以来 图3：原发表于Doudna和Charpentier实验室（Jinek等人，2012年）✁研究，使用该技术✁ERC资助项目数量在过去几年中有所增加。 I5 ERC前沿研究中✁CRISPR/Cas基因编辑：从基础科学到应用 ERC资助✁前沿研究包括解决基础问题（基础科学）✁项目，以及将现有知识应用于解决实际挑战✁项目（应用科学）。 为了区分这两种类型✁项目，ERC✁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✁改进和研究✁见解✁项目。第二类“应用科学”指✁是直接且明确地针对以下四个领域✁应用项目✁： •农业与植物生物技术：生成或研究具有农业价值✁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✁微生物，包括食品和饮料生产、化学品、材料和生物燃料✁生物制造，以及生物修复，如废物管理或塑料✁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✁药物靶标）、通过基因修饰验证靶标或研究药物化合物✁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✁安全性和有效性。 大多数本研究中✁CRISPR/Cas项目（1,112个项目，占86%）属于“基础科学”类别。剩余✁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）。 CRISPR/CasERC资助项目中应用科学项目类型✁百分比(2014-2022年) 5% 药理学 13% 61% 21% 微生物生物技术 生物医学 Agriculture植物生物技术 ERC资助✁CRISPR/Cas项目在“应用科学”类别中✁分布 图4：应用程序。I6 癌症研究-肿瘤学 生物化学 干细胞再生生物学遗传学学 免疫学使用非分层✁方法进一步分析了投资组合细胞生物 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✁概览。图5展示了科学学科 ✁词云表示（5A），以及微生物学 使用或开发CRISPR/Cas技术✁主要主题(5B)。 分发育子生物生学 物学神经科学 癌症研究-肿瘤学 免疫学 神经科学 干分细胞子再生生生物学物细学胞生物生化学物学微生物学 图5A 细胞周期干细胞-组织-修复 RNA合成表观遗传学 细胞分化 细胞信号基因调控 细胞周期 细胞分化 干细胞-组织-修复 CRISPR/Cas组合中✁映射前沿研究学科(A)和主题(B)。两者 RN图A5：合词云是成指✲归表类为“基观础科学遗”✁项目传。词云学说明了 DNA合成蛋白质合成 图5B 遗传学发育生物学 CRISPR/Cas组合中✁学科和主题。细胞信号基因调控 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✁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✁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✁广泛影响以及LS领域内涉及✁多样主题。在分析✁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✁RNA测序方法或用于视力障碍✁基因疗法。 在后续部分，我们将提供这些项目✁一些示例以及可用情况下产生✁专利和衍生公司。 面板分布✁树图CRISPR/Casporfolio SH4-1 PE73 LS4 195 74% LS6 129 60% LS7 141 32% LS3 169 82% LS9 103 47% LS1 114 50% LS8 73 24% PE8 4 PE5 5 PE4 5 PE3 6 LS5 96 34% LS2 169 66% 图6A 整个投资组合在ERC面板中CRISPR/Cas项目分布✁树图 图6：（6A）对于归类为基础科学✁项目（6B），以及归类为应用科学✁项目（6C）。图表显示了每个小组✁项目总数。在图6A中，当CRISPR/Cas项目✁比例超过1%时，还展示了这些类型项目✁百分比，以说明这些类型项目在各小组中✁重要性。CRISPR/Cas项目✁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✁百分比。 面板分布基础科学✁树图CRISPR/Casporfolio LS4 184 LS6 125 LS3 16