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新型CRISPR為啥那么火?

2019-06-17 15:45:43  來源:學術經緯

在生物醫學領域,如果一個研究方向能連續在頂級期刊上刊發論文,那其熱門程度自然不言而喻。上周,張鋒教授團隊剛剛在《科學》雜志上報道了一種全新的CRISPR基因編輯工具。在今日最新上線的《自然》論文中,又有一款CRISPR基因編輯工具橫空出世。

與傳統的基因編輯方法不同,這兩項工具并不會簡單粗暴地切開雙鏈DNA,并期望同源重組機制對切開的位點進行修復。相反,它們利用的是全新的“轉座子”系統。

在介紹最新研究前,我們先來看看經典的CRISPR-Cas基因編輯系統——在特定的基因組位點,一種酶會先在雙鏈DNA上切開一個口子。然后根據研究人員們加入的參照序列,這些細胞會使用自身的DNA修復系統,把切開的口子修復成人們所期望的模樣。

這套機制在過去已被證明行之有效,但也暴露出了不少潛在的問題,譬如許多細胞在修復DNA時,會引入一些錯誤。又譬如一些細胞在雙鏈DNA斷裂之后,會出現意想不到的副作用。

 ▲本研究的通訊作者Sam Sternberg教授(圖片來源:哥倫比亞大學Sam Sternberg教授實驗室官網)

▲本研究的通訊作者Sam Sternberg教授(圖片來源:哥倫比亞大學Sam Sternberg教授實驗室官網)

“現在的工具就像是分子剪刀。它們能剪開DNA,但實際上的編輯工作是交給了細胞自身的修復機制,”本研究的通訊作者,哥倫比亞大學的Sam Sternberg教授說道:“你只能祈禱細胞能做好它們的工作。”

為了突破傳統工具的局限,研究人員們決定引入不依賴細胞本身的基因編輯元件。而他們最終的發現來自一種看似很危險的生物——霍亂弧菌(Vibrio cholera)。

這種細菌因能引起霍亂而知名。但Sternberg教授與他的學生們在篩選潛在基因編輯元件時,發現這種細菌有著一種優良的特質——它們體內有一種“轉座子”,也稱跳躍基因。顧名思義,它們能夠讓基因發生“跳躍”,并整合到基因組的不同位點中。研究人員們指出,這種整合功能并不涉及同源重組修復,也就是經典CRISPR-Cas系統的編輯方法。

▲利用轉座子技術定點插入DNA序列的示意圖(圖片來源:Sam Sternberg/Columbia University Irving Medical Center)

▲利用轉座子技術定點插入DNA序列的示意圖(圖片來源:Sam Sternberg/Columbia University Irving Medical Center)

利用這種轉座子,研究人員們開發了一種全新的基因編輯系統。與其說它是一把“剪刀”,不如說它是一管“膠水”。利用CRISPR體系,它前往基因組的特定位點。隨后,它能以一種高度可控的方法,把外源基因整合入基因組。實驗結果表明,他們能將任何不超過10kb的DNA序列插入到任何細菌基因組的特定位點。

“我們并沒有簡單引入DNA斷裂,依賴細胞對其進行修復,” Sternberg教授點評道:“這套INTEGRATE系統直接將預先設定的DNA序列精準地插入到基因組的位點,這是許多分子生物學家追求數十年的結果。”

這套全新的工具也帶來了全新的應用前景。研究人員們指出,這有望讓CRISPR基因編輯工具在保持簡便使用的同時,避免與DNA斷裂相關的潛在副作用。下一步,研究人員們期待對其進行優化,測試它在不同細胞(包括哺乳動物細胞)中的基因編輯效果。

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