基因编辑高清细节首次被捕获,新工具改进CRISPR系统的不足

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基因编辑高清细节首次被捕获,新工具改进CRISPR系统的不足
麻省理工科技评论 2019-12-21

2019-12-21

来自哥伦比亚大学的科学家们利用冷冻电子显微镜捕获了一种新的基因编辑工具的首批图像
基因编辑 遗传
来自哥伦比亚大学的科学家们利用冷冻电子显微镜捕获了一种新的基因编辑工具的首批图像

12 月 18 日《自然》(Nature)杂志在线发表了一篇题为 Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR-Cas system 的新研究,来自哥伦比亚大学的科学家们利用冷冻电子显微镜捕获了一种新的基因编辑工具的首批图像。

该团队在霍乱弧菌中发现了一种独特的“跳跃基因”,其可以在不引入 DNA 断裂的情况下往基因组中插入大量的遗传有效载荷,研究人员以此开发了一个新的基因编辑工具,称为INTEGRATE(Insertion of transposable elements by guide RNA-assisted targeting)。

基因编辑高清细节首次被捕获,新工具改进CRISPR系统的不足

(来源:Nature)

这种全新的工具有望改进现有的 CRISPR 工具,通过冷冻电子显微镜将这种复杂的基因编辑过程冻结起来,揭示了基因编辑过程的高分辨率细节。

“我们在研究中展示了如何利用 INTEGRATE 技术在细菌细胞中进行靶向 DNA 插入。”哥伦比亚大学瓦格洛斯学院生物化学和分子生物物理学助理教授 Sam Sternberg 博士与 Israel Fernandez 博士共同领导了这项研究,Sam Sternberg 说道,“与 Israel Fernandez 实验室这一次奇妙合作出的这些新图像,以令人难以置信的分子细节解释了这一生物过程,并将帮助我们通过蛋白质工程努力来改进该系统。”

新的基因编辑工具

现在,世界各地的许多研究人员都使用 CRISPR-Cas9 来快速、廉价地精确修改细胞的基因组。然而,CRISPR 的大多数应用都涉及要切断目标 DNA 的两条链,然后利用宿主细胞自身的修复机制将 DNA 断裂修复。

控制这一修复过程仍然是该领域的一个主要挑战,因为在这个过程中常常不经意地引入不希望发生的基因编辑。此外,现有的基因编辑工具仍然难以实现以精确的方式插入大型遗传有效载荷。提高基因编辑的准确性是研究人员的首要任务,也是确保用这种技术开发疾病治疗方法的安全性的关键。

由 Sternberg 实验室开发的 INTEGRATE 系统,可以精确插入大的 DNA 序列,而且不需要依靠细胞机制来修复 DNA 链。因此,与目前广泛使用的传统 CRISPR-Cas 系统相比,INTEGRATE 可能被证明是一种更准确、更有效的进行某些基因修饰的方法。

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图 | INTEGRATE 与 DNA 结合的冷冻电镜图像(来源:Sternberg and Fernández Labs)

这种新工具还可以帮助科学家在 DNA 修复活动有限的细胞类型(如神经元)中实现基因编辑,因为在这类细胞中,使用 CRISPR 进行基因编辑的尝试相对不那么成功。

首次捕捉的细节

研究人员使用了一种获得诺贝尔奖的技术——冷冻电子显微镜,通过在液氮中快速冷冻一个基因编辑复合体样本,用电子轰击,然后他们利用电子显微镜捕捉到的图像,生成一个集成系统的原子分辨率模型。

结构模型表明,复合材料是由两个主要部分组成的螺旋状长丝。更大的部分,称为 Cascade,环绕并携带引导 RNA,用于扫描细胞中匹配的 DNA 序列。一旦它定位并结合目标序列,就会通过位于复合物末端的 TniQ“转位”蛋白质将 DNA 链串联起来,并吸收其他有助于修饰 DNA 的酶。

INTEGRATE 的扫描机制与其他研究成熟的 CRISPR 系统的工作方式相似,其中一些还包含一个带有导向 RNA 的 Cascade 复合体。然而,不像其他的 CRISPR 系统使用 Cascade 复合体来针对 DNA 进行切割,INTEGRATE 的 Cascade 功能是针对 DNA 进行高度精确的遗传有效载荷插入。

基因编辑高清细节首次被捕获,新工具改进CRISPR系统的不足

图 | INTEGRATE 复合物的结构,Cascade(深蓝色)、TniQ(浅蓝色)和向导 RNA(红色)(来源:Sternberg and Fernández Labs)

“如此规模的可视化生物学过程真的很神奇,甚至可以轻易地激发那些不熟悉这个领域的人。这项工作的质量和完成的速度,得益于 Sam 和 Israel 这样的厉害导师所提供的合作环境。”哥伦比亚大学欧文医学中心细胞分子和生物物理研究项目博士生、该研究第一作者 Tyler Halpin-Healy 说。

在他们之前的研究中,Sternberg 和他的同事利用遗传学和生物化学提出 CRISPR 机制如何在功能上与转位机制(负责基因 “跳跃” 的分子)相联系,这次研究证明了他们的假设是正确的。

除了指导未来的工程努力方向,这些结构图像还暗示了一个可能的校对检查点。现有的 CRISPR 技术经常遭受所谓的 “脱靶效应”,在这种情况下,序列被意外修改。新的结构揭示了 Cascade 和 TniQ 如何协同工作,以确保只有正确的“目标” 序列被标记为 DNA 插入。研究人员计划进一步探索这种检查点,同时开发新的疾病治疗工具。

哥伦比亚大学已经提交了与这项工作相关的专利申请。据了解,Sam Sternberg 博士还是 Dahlia Biosciences 的联合创始人和科学顾问,也是 Dahlia Biosciences 和 Caribou Biosciences 的股东。

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