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Nature vs.Science两大巨头同期get到新手艺:比CTucs

2020-03-24 19:43

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哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生学院的研究人员的一项新发现可以解决当前基因编辑工具(包括CRISPR)的一个主要缺点,并为基因工程和基因治疗提供了一种强有力的新方法。

万家彩票平台,CRISPR技术红得发紫,也备受诟病,其中的两大问题在于脱靶效应和效率低。近期两大顶级杂志,Science和Nature分别公布了Broad研究所张锋研究组和哥伦比亚大学Sam Sternberg研究组两项相似的研究成果:利用细菌跳跃基因,将DNA序列精确地插入基因组而不切割DNA。

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

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他们的新技术称为INTEGRATE,利用细菌跳跃基因将任何DNA序列可靠地插入基因组而不切割DNA。目前的基因编辑工具依赖于切割DNA,但这些切割可能导致错误。

这两项研究克服了CRISPR技术的主要缺点,为基因工程和基因治疗提供了一种强有力的新选择。

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。

在一项新的研究中,来自美国哥伦比亚大学的研究人员捕捉到一种由对现有的基于CRISPR的工具进行改进而产生的新型基因编辑工具的首批结构图片。他们在霍乱弧菌中发现一种独特的“跳跃基因”并且这种跳跃基因可以在基因组中插入较大的基因负荷而不引入DNA断裂,基于此,他们开发出这种称为INTEGRATE的新型基因编辑工具。相关研究结果近期发表在Nature期刊上,论文标题为“Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR–Cas system”。论文通讯作者为哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科学院生物化学与分子生物物理学助理教授Samuel Sternberg博士和哥伦比亚哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理学助理教授Israel Fernandez博士。

目前的工具就像分子剪刀:他们切割DNA,但实际编辑是由细胞自身的DNA修复机器完成的,哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学助理教授,新研究的资深作者Sam Sternberg博士说。你完全可以完成这项工作。今天在线发表在自然杂志上的新INTEGRATE技术更像分子胶而不是分子剪。

“跳跃基因”又叫转座子,它们无处不在,每个生命领域都携带这些DNA序列,它们利用转座酶从一个位置“跳”到另一个位置,事实上,有接近一半的人类基因组是由跳跃基因组成的。

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。

在这项新的研究中,这些研究人员利用低温电镜技术冻存正在发挥作用时的这种基因编辑复合物,从而揭示它的工作原理的高分辨率细节。

而不是引入DNA断裂并依赖细胞来修复断裂,INTEGRATE直接在基因组中的精确位置插入用户定义的DNA序列,这是分子生物学家几十年来一直寻求的能力,最近Sternberg说道。从加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna实验室招募到哥伦比亚大学。

张锋研究组从蓝藻中抽提了一种转座酶,他们将其命名为CAST,即CRISPR相关转座酶。Sternberg研究组的新技术则称为INTEGRATE,利用跳跃基因将DNA序列插入基因组而不切割DNA。

“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。”

Sternberg说,“我们在我们之前的研究中展示了如何利用INTEGRATE在细菌细胞中进行靶DNA插入。这些新的图片以令人难以置信的分子细节揭示这种基因编辑复合物的生物学机制,这有助于我们进一步改进这种基因编辑系统。”

目前的工具很挑剔

“目前的工具就像分子剪刀,切割DNA,但实际编辑是由细胞自身的DNA修复机器完成的,”Sternberg博士说。 “你是受到细胞的支配,来完成这项工作的。”

新的基因编辑工具

开始时与CRISPR一样,但是结局不同

使用当前工具编辑单元格的基因组就像使用文字处理器编辑一个巨大的文档,但使用具有自己思想的软件。通常,研究人员希望在一个特定的DNA碱基序列上做一个小的改变,使基因组的其余部分保持不变。目前最好的工具,使用来自一种细菌CRISPR-Cas系统的组件构建,以特定序列切割DNA分子的两条链,例如在一段文本中添加段落。

而新技术更像分子胶而不是分子剪刀。

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。

这些研究人员使用了一种称为低温电镜的技术,该技术涉及在液氮中快速冷冻这种基因编辑复合物样品,然后用电子轰击它。他们随后使用在电子显微镜下捕获的图片产生这种INTEGRATE系统的原子分辨率结构模型。

这些中断只是起点:实际的编辑是由细胞自身的DNA修复机制完成的,通常使用研究人员提供的DNA序列来填补空白。

“不用引入DNA断裂,依赖细胞来修复断裂,INTEGRATE可以直接在基因组的精确位置上插入用户定义的DNA序列,这是分子生物学家几十年来一直寻求的能力。”

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。

这种结构模型揭示这种基因编辑复合物由两个主要部分组成,这两个主要部分排列成螺旋丝状结构。在这两个主要部分中,较大的部分称为Cascade,缠绕并携带向导RNA,用于扫描细胞中匹配的DNA序列。一旦Cascade定位并结合了靶序列,它将使DNA链穿过位于这种基因编辑复合物末端的TniQ“转座”蛋白,并招募其他有助于修饰靶DNA序列的酶。

依靠细胞的修复机械有很大的局限性。许多细胞不正确地修复DNA断裂或在过程中引入错误,并且其他细胞甚至可能不表达插入新遗传有效载荷的必要修复机制。此外,DNA断裂引发DNA损伤反应,可能产生其他不良反应。

现有的CRISPR工具太挑剔

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。

INTEGRATE的这种扫描机制似乎与其他经过充分研究的CRISPR系统的工作方式相似,其中的一些CRISPR系统也含有带有gRNA的Cascade复合物。但是,与其他使用Cascade靶向DNA进行切割的CRISPR系统不同的是,INTEGRATE中Cascade的功能是靶向DNA以便基因负载的高精度插入。

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