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基因醫學再突破-全球首創CRISPR-AI雙向基因調控系統並用於再生醫學

 

 

日期:108年4月9日

發稿單位:工程技術研究發展司

聯絡人:程弘研究員

電話:2737-7776

E-mail:hcheng@most.gov.tw

在科技部計畫長期支持下,清華大學化工系胡育誠講座教授與中國醫藥大學林進裕助理教授及長庚醫院骨科張毓翰醫師組成跨校、跨領域合作團隊,領先世界開發出了新型雙向基因調控系統,並用於調節間葉幹細胞的分化路徑,進而可促進骨組織再生。此成果對再生醫學研究及病人的組織再生將有重大幫助。

人體多種組織如膝關節軟骨及頭蓋骨自我修復能力不佳,若是膝關節軟骨受損便會進一步造成退化性關節炎及病人疼痛。間葉幹細胞可分化成軟骨、硬骨或脂肪等不同細胞,是用於細胞治療,修復組織的重要細胞來源。但實際應用時,幹細胞內有多種調控分化的基因表現不受控制,因此往往無法分化成適當的細胞,造成修復效果不佳。因此如何精準調控基因表現便成了促進組織再生及調節身體機能的重要關鍵。

 

全球首創CRISPR-AI雙向基因調控系統

為了精準調控基因表現,胡育誠教授團隊以CRISPR/Cas9基因編輯技術為基礎,領先全世界首創CRISPR-AI雙向基因調控系統,可在幹細胞內同時活化與抑制不同基因的表現。團隊利用突變後的Cas9蛋白(dCas9),並設計兩種導引RNA (sgRNA)骨架。第一種sgRNA骨架(sgRNAa),可與dCas9及促進基因表現的轉錄因子結合,並標定到促進幹細胞往軟骨細胞分化的基因Sox9。第二種sgRNA骨架(sgRNAi) 可與dCas9及轉錄抑制因子(用於抑制基因表現)結合,並標定到促進脂肪分化的基因PPAR-g。

 

世界首創應用於組織再生

目前全世界尚未有同時活化及抑制多種基因以促進組織再生之前例。胡育誠教授將此CRISPR-AI系統送入幹細胞後,與原來幹細胞相比,可同時活化Sox9表現17倍,並抑制PPAR-g表現達70%。藉由同時活化(Activation)與抑制(Inhibition)兩種路徑的重要調控基因,此CRISPR-AI 系統可以促進幹細胞往軟骨分化,並且抑制細胞往脂肪分化,因此大幅提升幹細胞分化成軟骨細胞的效率。將此細胞送入頭蓋骨組織缺陷,可以先形成軟骨再分化成硬骨,因此大幅提升頭蓋骨的修復效率。此研究領先全世界,首創開發CRISPR-AI雙向基因調控系統並用於組織再生,已於2019年發表在頂尖國際期刊 核酸研究(Nucleic Acids Research)。

 

CRISPR-AI可用於細胞療法及癌症治療

胡育誠教授表示,細胞內有複雜的基因網路,因此基因調控是非常重要的。但是要如何雙向調控基因表現仍是一大難題,也還未應用到幹細胞及組織再生。此CRISPR-AI雙向基因調控系統可以同時精準調控多種基因的表現,導引幹細胞分化成特定細胞,未來也可以用於幹細胞研究,並且用於修復關節軟骨,治療退化性關節炎,或修復其他組織。目前癌症治療的新趨勢為應用免疫細胞進行免疫療法,CRISPR-AI系統也具潛力用於改造免疫細胞,增加免疫細胞毒殺癌細胞能力。胡育誠教授正執行科技部台俄合作計畫與俄羅斯團隊進行後續研究。

 

〈參考資料〉國際期刊發表資料:

  1. Truong, V. A., Hsu, M-N., Nguyen, N.T.K., Lin, M-W., Shen, C.-C., Lin, C.-Y., Hu, Y.-C.* 2019. July. CRISPRai for simultaneous gene activation and inhibition to promote stem cell chondrogenesis and calvarial bone regeneration.Nucleic Acids Research. 47: e74 (IF 11.147).

 

研究成果聯絡人

胡育誠

美國醫學與生物工程學會(AIMBE) 會士

科技部化工學門召集人

清華講座教授

國立清華大學化工系

30013 新竹市光復路二段101號

Tel: 886-3-5718245

Email: ychu@mx.nthu.edu.tw

web:  http://www2.che.nthu.edu.tw/~biohu/

 

更新日期 : 2020/04/09