CRISPR/Cas9系統(tǒng)重大研究進(jìn)展

中醫(yī)世家 2024-06-04 23:12:55

2016年08月31日訊基因組編輯技術(shù)CRISPR/Cas9被《科學(xué)》雜志列為2013年年度十大科技進(jìn)展之一，受到人們的高度重視

。CRISPR是規(guī)律間隔性成簇短回文重復(fù)序列的簡稱

，Cas是CRISPR相關(guān)蛋白的簡稱

。CRISPR/Cas最初是在細(xì)菌體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的

，是細(xì)菌用來識(shí)別和摧毀抗噬菌體和其他病原體入侵的防御系統(tǒng)。

史上首次利用CRISPR-Cas9讓人細(xì)胞變身為記憶存儲(chǔ)系統(tǒng)

在一項(xiàng)新的研究中

，來自美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員設(shè)計(jì)出一種方法在人細(xì)胞的DNA中記錄復(fù)雜的歷史事件

，從而允許他們通過對(duì)這種DNA進(jìn)行測序從中找回過去事件的“記憶”。相關(guān)研究結(jié)果于2016年8月18日在線發(fā)表在Science期刊上

，論文標(biāo)題為“Continuous genetic recording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells”

。論文通信作者為MIT電學(xué)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授和生物工程副教授Timothy Lu。論文第一作者為Samuel Perli博士和研究生Cheryl Cui

。

在當(dāng)前的這項(xiàng)研究中

，由MIT開發(fā)出的這種新方法是基于基因組編輯系統(tǒng)CRISPR-Cas9實(shí)現(xiàn)的，其中這種系統(tǒng)是由一種DNA切割酶Cas9和一種引導(dǎo)這種酶結(jié)合到基因組特定位點(diǎn)上并指導(dǎo)它在這個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行切割的短鏈RNA---也被稱作向?qū)NA（gRNA）---組成的

。

CRISPR-Cas9被廣泛地用于基因編輯

，但是Lu團(tuán)隊(duì)決定對(duì)它進(jìn)行改編用于記憶儲(chǔ)存。在最初進(jìn)化出CRISPR-Cas9的細(xì)菌中

，這種基因組編輯系統(tǒng)記錄過去的病毒感染

，這樣細(xì)菌細(xì)胞就能夠識(shí)別和抵抗再次入侵的病毒。

當(dāng)利用CRISPR-Cas9對(duì)基因進(jìn)行編輯時(shí)

，研究人員構(gòu)建出能夠匹配宿主基因組中靶序列的gRNA

。為了進(jìn)行記憶編碼，他們采取一種不同的方法：他們設(shè)計(jì)出識(shí)別編碼這種gRNA的DNA序列的gRNA

，從而產(chǎn)生他們稱之為“自我靶向的gRNA（self-targeting guide RNA）”

。

在這種自我靶向的gRNA的引導(dǎo)下，Cas9切割編碼這種gRNA的DNA序列

，產(chǎn)生一種永久性記錄事件發(fā)生的突變

。這種DNA序列一旦發(fā)生突變就會(huì)產(chǎn)生新的gRNA來引導(dǎo)Cas9靶向這種新近發(fā)生突變的DNA序列，而且只要Cas9是有活性的或者這種自我靶向的RNA仍然表達(dá)

，就允許突變進(jìn)一步發(fā)生和積累

。

通過細(xì)胞內(nèi)的感應(yīng)器檢測特定生物事件發(fā)生來調(diào)節(jié)Cas9或自我靶向的gRNA的活性，這種系統(tǒng)就能夠允許累進(jìn)性突變作為這些生物事件的函數(shù)積累下來

，因而提供基因組編碼記憶

。

利用CRISPR輔助的納米顯微技術(shù)揭示端粒酶探查端粒機(jī)制

在一項(xiàng)新的研究中，美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校生物前沿研究所主任

、特聘教授和諾貝爾獎(jiǎng)得主Thomas Cech博士利用CRISPR基因編輯技術(shù)

、活細(xì)胞和單分子顯微鏡，首次實(shí)時(shí)地觀察端粒酶和端粒之間的這種至關(guān)重要的相互作用。

Cech與論文共同作者Jens Schmidt和Arthur Zaug觀察到端粒酶在整個(gè)細(xì)胞核中擴(kuò)散

，和進(jìn)行碰撞

。端粒酶和端粒在細(xì)胞核中并不常見，但有時(shí)湊巧會(huì)看到前者撞擊后者

。但是端粒酶附著到端粒的中間位置上時(shí)是不會(huì)帶來任何好處的

。為了保護(hù)染色體，端粒酶必需附著到它的最末端

。因此如果端粒酶撞擊到端粒的中間位置

，那么它很快脫落下來，再次嘗試撞擊

。Cech和同事們將這成為“探查（probing）”

。僅當(dāng)這種探查導(dǎo)致端粒酶直接撞擊到端粒的末端時(shí)，它才附著到端粒上

，并且逗留在那里

。

Cech團(tuán)隊(duì)能夠利用CRISPR DNA編輯技術(shù)將一種基因插入到制造端粒酶的基因上。這種插入的基因編碼一種附著到端粒酶上的熒光蛋白

。他們隨后利用一些人稱作為納米顯微鏡的顯微技術(shù)觀察這種熒光蛋白

。

Cech指出這種CRISPR輔助的納米顯微鏡（CRISPR-aided nanoscopy）技術(shù)將可能被端粒研究領(lǐng)域之外的科學(xué)家們使用。他也希望這一發(fā)現(xiàn)將有助于篩選抗端粒酶藥物

。

利用非同源性DNA片段將CRISPR-Cas9編輯效率提高高達(dá)5倍

CRISPR-Cas9是一種用于在人細(xì)胞系中進(jìn)行基因敲除來發(fā)現(xiàn)它們的基因所發(fā)揮何種功能的流行技術(shù)

，但是讓基因失去功能的效率存在非常大的差異。

如今

，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員在大多數(shù)類型的人細(xì)胞中

，發(fā)現(xiàn)一種方法讓CRISPR-Cas9切割靶基因和讓它們失去功能的效率提高高達(dá)5倍

，從而能夠更加容易構(gòu)建和研究基因敲除細(xì)胞系以及潛在地作為一種人類療法讓一個(gè)發(fā)生突變的基因失去功能。

盡管CRISPR-Cas9能夠加快制造基因敲除細(xì)胞系的過程

，但是人們有時(shí)必需制造和篩選許多這種基因編輯器的變異體以便發(fā)現(xiàn)哪一種發(fā)揮得更好

。在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)只需經(jīng)過簡單調(diào)整一下就能夠更加有效率地開展這個(gè)過程

。

關(guān)鍵就是與CRISPR-Cas9分子一起被導(dǎo)入人細(xì)胞中的短片段DNA不與人基因組中的任何DNA序列相匹配

。這些短片段DNA被稱作寡核苷酸，似乎干擾人細(xì)胞中的DNA修復(fù)機(jī)制

，從而將比較普通的CRISPR-Cas9的基因編輯效率提高2.5到5倍

。

論文通信作者、加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組計(jì)劃科技總監(jiān)

、分子與細(xì)胞生物學(xué)兼任助理教授Jacob Corn說

，“它表明如果你做了非常簡單的事情---只是將廉價(jià)的與人基因組不存在任何同源性的人工合成寡核苷酸導(dǎo)入到細(xì)胞中，那么基因編輯效率提高多達(dá)5倍?div id="m50uktp" class="box-center"> ！边@種技術(shù)提高所有CRISPR-Cas9的編輯效率

，即便是初始時(shí)完全不會(huì)起作用的那些CRISPR-Cas9。

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