新 “CRISPR” 工具诞生,开启更多可编辑基因组

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新 “CRISPR” 工具诞生,开启更多可编辑基因组
麻省理工科技评论 2018年10月27日

2018年10月27日

尽管基因编辑工具已经取得了如此大的成功,CRISPR-Cas9 在基因组上可以访问的位置数量仍然有限。这是因为在识别位点时,CRISPR 需要位于基因组目标位置两侧的特定序列,即邻接基序(PAM)。
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尽管基因编辑工具已经取得了如此大的成功,CRISPR-Cas9 在基因组上可以访问的位置数量仍然有限。这是因为在识别位点时,CRISPR 需要位于基因组目标位置两侧的特定序列,即邻接基序(PAM)。

基因组编辑系统 CRISPR,能够通过短 RNA 序列的引导在基因组不同点位间移动,并用 Cas9(DNA 切割酶)对基因进行切割、编辑。自诞生之日起,CRISPR 技术就被寄予厚望,目前已经在医学研究中扮演着极为重要的角色,并且日后可能会在农业、生物能源和粮食安全等领域引发重大影响。

尽管基因编辑工具已经取得了如此大的成功,CRISPR-Cas9 在基因组上可以访问的位置数量仍然有限。这是因为在识别位点时,CRISPR 需要位于基因组目标位置两侧的特定序列,即邻接基序(PAM)。

(来源:麻省理工科技评论)

例如,最常用的 Cas9 酶——酿脓链球菌 Cas9(SpCas9)就需要两个 G 核苷酸作为其 PAM 序列,这极大限制了其靶向的点位数量,使其只能作用于基因组的 9.9% 左右。对 PAM 要求低就意味着其可作用的位点范围更广,但目前,此类对 PAM 要求低的 CRISPR 酶数量却极少。

10 月 24 日,《科学进步(Science Advances)》发表了 MIT 媒体实验室(MIT Media Lab)媒体艺术与科学教授、分子机器研究小组负责人 Joseph Jacobson 团队的一项最新研究,研究人员发现了一种新的 Cas9 酶,可靶向基因组上近一半的位点,从而使得更多基因组可以实现编辑。

Jacobson 说,“CRISPR 就像一个非常准确高效的邮政系统,可以到达你想要去的任何地方,其非常准确具体,但可以去的位点也有限。”

(来源:麻省理工科技评论)

为了开发更通用的 CRISPR 系统,研究人员使用计算算法对细菌序列进行了生物信息学检索,从而确定是否存在对 PAM 要求更低的、类似的酶。为此,研究人员开发了一种数据分析软件工具,他们将之称为 SPAMALOT(通过目标对齐搜索 PAM,Search for PAMs by Alignment of Targets)。

这的确帮助研究人员找到了一些 “候选酶” ,但并没有一种能 “脱颖而出” 。因此,该团队又在实验室中创建了 CRISPR 的合成版本,并对其表现进行评估。

本研究共同第一作者、媒体实验室的研究生 Pranam Chatterjee 表示,来自犬链球菌(ScCas9)的 Cas9 效果最好,而这种酶与目前广泛使用的 Cas9 酶极为相似。“这种酶看起来与之前发现的酶几乎一模一样...... 但它能够靶向现有酶不能作用的 DNA 序列。”Chatterjee 说。

不像原有酶需要两个 G 核苷酸作为其 PAM 序列,新的酶只需要一个,这可以使其在基因组上识别更多点位。这也使得 CRISPS 可以靶向许多超出之前识别范围的疾病特异性突变。

Jacobson 表示,一个常规基因的长度约为 1000 个碱基,如果研究人员只是想敲除整个基因的话,那靶向点位有很多。但许多疾病,比如镰状细胞性贫血,是由单一碱基的突变引起的,对其进行靶向就困难了。

(来源:麻省理工科技评论)

“碱基编辑不只是在 1000 个碱基中找个地方把它敲掉,而是精确地找到想要改变的碱基并且修正它。你需要能找到非常确切的位置,在它旁边放上一段 CRISPR,然后使碱基编辑器(另一种能附着 CRISPR 的蛋白质)进入并修正或改变该碱基。”

而在此类应用中,新的 CRISPR 工具将大有作为。Chatterjee 说:“ScCas9 进入基因组编辑大家庭,并且还收到了有助于进一步研究的反馈,让我们兴奋不已。”

Jacobson 表示,现在研究人员希望能够利用其开发的技术发现其他酶,从而在保障其准确性的同时,进一步扩大 CRISPR 系统的靶向范围。“我们有信心标出基因组的每个坐标。”

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