杜克大学(Duke University)的生物医学工程师利用一种以前未被探索过的CRISPR技术,精确地调节和编辑了人类细胞中的基因组。
通过这种新方法,研究人员希望极大地扩展生物医学工程师可用的基于crispr的工具,开辟基因组工程技术的一个新的和多样化的前沿。
发表在9月23日的一项研究中自然生物技术杜克大学生物医学工程鲁尼家族副教授查尔斯·格斯巴赫(Charles Gersbach)和领导该项目的格斯巴赫实验室博士后阿德里安·奥利弗(Adrian Oliver)描述了他们如何成功地利用1类CRISPR系统打开和关闭目标基因,并首次编辑人类细胞中的表观基因组。
CRISPR-Cas是一种防御系统,细菌利用RNA分子和crispr相关(Cas)蛋白靶向并破坏入侵病毒的DNA。这一现象的发现和分子机制的重新定位引发了一场基因组编辑革命,研究人员学会了如何使用这一工具来专门针对和编辑人类细胞中的DNA。
CRISPR- cas9是目前最常用的基因组编辑工具,被归类为2类CRISPR系统。第2类系统在细菌世界中不太常见,但理论上它们更容易操作,因为它们只依赖一种Cas蛋白来靶向和切割DNA。
第一类系统没有那么简单,它依靠多种蛋白质在一个称为Cascade (crispr相关的抗病毒防御复合体)的复合体中共同作用来靶向DNA。结合后,Cascade会招募一种Cas3蛋白来切割DNA。
格斯巴赫说:“如果你观察世界上所有细菌的单个CRISPR系统,你会发现近90%的细菌都是1类系统。”“CRISPR-Cas生爱博网投领导者物学是生物技术工具的一个不可思议的来源,但直到最近,每个人都只关注了一小块蛋糕。”
为了证明1类系统的能力,Oliver将基因激活子附着在I型大肠杆菌级联复合体的特定位点上,并靶向该系统结合调节基因表达水平的基因启动子。因为她在实验中没有包括Cas3蛋白,所以没有切割DNA,也没有改变潜在的DNA序列。实验表明,Cascade激活因子不仅可以结合到正确的位点,提高靶基因的水平,而且具有与CRISPR/Cas9相当的准确性和特异性。
奥利弗用另一种菌株的I型级联复合物重复了这一过程,这种菌株在各种靶点上都表现得特别强劲。她还表明,激活域可以被阻遏物交换,从而关闭目标基因。研究人员再次指出了与CRISPR/Cas9方法相当的准确性和特异性。
奥利弗说:“我们发现Cascade的结构非常模块化,允许各种位点连接激活剂或抑制剂,这是改变人类细胞中基因表达的伟大工具。”“Cascade的灵活性使其成为一种很有前途的基因组工程技术。”
格斯巴赫和奥利弗是在附近的北卡罗莱纳州立大学的合作伙伴鲁道夫·巴兰戈教授和蔡斯·贝塞尔教授的鼓励下研究更复杂的1类CRISPR系统的。贝塞尔教授目前在德国亥姆霍兹感染研究中心工作。Barrangou是一名微生物学家,研究多种CRISPR防御机制的自然生物学已有近二十年,Beisel是一名化学工程爱博网投领导者师,曾与Barrangou一起研究使用1类CRISPR系统的工程微生物。他们都很好奇Gersbach的实验室是否可以在人类细胞中使用这些系统,就像他们对Cas9的研究一样。
“这项工作和由此产生的技术是一个很好的例子,说明北卡罗来纳州研究三角地区跨学科和大学之间的合作是如何高度创新和富有成效的,”北卡罗来纳州立大学益生菌研究的托德·r·克伦哈默特约教授Barrangou说。
现在,该团队乐观地认为,他们的研究以及该领域其他人的相关工作将激励对1类CRISPR系统的新研究。
“这个项目的目的是探索CRISPR系统的多样性,”Gersbach说。“在过去的十年里,有成千上万篇关于CRISPR-Cas9的论文,但我们仍在不断地了解它的新事物。通过这项研究,我们将这种心态应用于其他90%的事物。”
到目前为止,该团队已经证明,这些1类系统在准确性和应用方面与CRISPR-Cas9相当。当他们考虑未来的方向时,他们很好奇地探索这些系统与2类系统有何不同,以及这些差异如何证明对生物技术应用有用。
该团队还对研究1类系统如何解决CRISPR-Cas研究的一般挑战感兴趣,特别是那些使潜在治疗应用复杂化的问题,比如对Cas蛋白的免疫反应,以及同时使用多种类型的CRISPR来实现不同的基因组工程功能。
“我们知道CRISPR可能对人类健康产生重大影响,”Gersbach说。“但我们仍然处于了解CRISPR将如何使用,它可以做什么以及我们可以使用哪些系统的起步阶段。我们期待这个新工具将开启基因组工程的新领域。”
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提供的材料杜克大学.注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。
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