新的基因编辑器利用跳跃基因实行规范的DNA整合

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我们可以对这种CRISPR转座子系统进行编程,将其遗传有效载荷整合到几乎任何基因组位点,通过了解其工作原理,我们将能够将其设计为更有效,Sternberg说。

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。

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

1.Tyler S. Halpin-Healy et al. Structural basis of DNA targeting by a
transposon-encoded CRISPR–Cas system. Nature, 2019,
doi:10.1038/s41586-019-1849-0.

通过重新编程指导RNA,Sternberg和他的学生能够精确控制供体DNA整合的位置。通过用其他DNA有效载荷替换转座子序列,它们可以将长达10,000个碱基的序列插入细菌基因组中。因此,与其他基于整合的编辑工具不同,INTEGRATE技术是迄今为止研究的第一个完全可编程的插入系统。

“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。”

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。

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。”

  • 该系统来自霍乱弧菌 – 不需要细胞的任何帮助。

原文标题:

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。

除了为未来的蛋白质工程提供信息之外,这些新结构突出了一个可能的校对检查点。现有的CRISPR技术经常出现所谓的“脱靶效应”,即不加区分地对非靶序列进行修饰。这些新结构揭示了Cascade和TniQ如何协同工作,从而确保仅将DNA片段插入到正确的
“在靶”序列中。这些研究人员计划在开发用于疾病的新治疗方法的工具时进一步探究这个检查点。

CRISPR是一类非常多样化的细菌天然防御系统。为了找到新的基因编辑工具,Sternberg和三名研究生寻找细菌,以寻找经过充分研究的CRISPR-Cas系统的变体,这些系统具有不寻常的特性,可以揭示新的工具能力。

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。

澳门新匍京娱乐官网,图 | INTEGRATE 复合物的结构,Cascade、TniQ和向导 RNA

在之前的研究中,Sternberg及其同事们通过使用遗传学和生物化学提出这种CRISPR分子机器如何在功能上与转座复合物—负责基因“跳跃”的分子—存在关联,这项新的研究证实他们提出的这种观点是正确的。

下一步Sternberg的团队使用细菌遗传学实验开发了INTEGRATE技术,现在他们正在测试其他细胞类型,包括哺乳动物细胞。

Transposon-encoded CRISPR-Cas systems direct RNA-guided DNA integration,

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。

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该研究得到了哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生学院院长的启动资金以及哥伦比亚大学Vagelos精准医学基金的试点资助。

“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。”

新的基因编辑工具

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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。

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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。

下一步是什么

INTEGRATE技术提供了一种全新的方法,具有与CRISPR-Cas9相同的可编程性和易用性,但没有与DNA断裂相关的副作用。

“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。

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。

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。

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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。

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。

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。

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