升级版CRISPR:能准确插入较大DNA,可在神经元中编辑

近日,《自然》杂志发表了一篇题为:Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR–Cas system的论文,科学家利用冷冻电子显微镜技术来研究基因编辑复合体,从而揭示其编辑中的高分辨率细节

升级版CRISPR:能准确插入较大DNA,可在神经元中编辑

哥伦比亚大学山姆·斯坦伯格说:“研究展示了如何利用整合技术在细菌细胞中进行靶向DNA插入。这些新图像是与以色列科学家的一次精彩合作,以令人难以置信的分子细节解释了生物学,并将通过指导蛋白质工程工作帮助我们改进系统。”

开始像CRISPR,但升级了

研究人员使用了一种称为冷冻电子显微镜的技术,该技术包括将基因编辑复合物的样本在液氮中快速冷冻,并用电子轰击。然后,利用电子显微镜捕捉到的图像生成集成系统的原子分辨率模型。

结构模型表明,复合物由两个主要部分组成,它们排列在一个螺旋长丝中。较大的一部分,叫做级联,卷绕着携带一个引导RNA,它用来扫描细胞DNA中的匹配序列。一旦它定位并结合了目标序列,它就通过位于复合物末端的TniQ“转位”蛋白来连接DNA链,并招募其他有助于修饰DNA的酶。

升级版CRISPR:能准确插入较大DNA,可在神经元中编辑

INTEGRATE的扫描机制似乎与其他研究良好的CRISPR系统类似,其中一些系统还包含一个带有引导RNA的级联复合物。然而,与其他使用级联靶向DNA进行切割的CRISPR系统不同,整合内级联的功能是靶向DNA以高精度插入遗传有效载荷。

“在这个尺度上进行可视化生物学真的很神奇,即使是那些不了解这个领域的人也很容易兴奋。这项工作的质量和完成的速度,是山姆和以色列等伟大导师所提供的协作环境的象征,”哥伦比亚大学欧文医学中心细胞、分子和生物物理研究生项目的博士生、该研究的第一作者泰勒·哈尔平·希利说。

在他们之前的研究中,Sternberg和他的同事利用遗传学和生物化学来提出CRISPR机制如何在功能上与转位机制(负责基因“跳跃”的分子)相联系,并且研究证明了他们的假设是正确的。

为什么这么重要

现在世界上许多研究人员使用CRISPR-Cas9快速廉价地对细胞基因组进行精确的修改。然而,CRISPR的大多数用途都涉及到切割目标DNA的两条链,然后DNA断裂必须由宿主细胞自己的机器修复。控制这一修复过程仍然是该领域的一个主要挑战,而不希望的基因编辑往往会无意中引入到基因组中。

另外,现有工具在精确地插入大的遗传有效片段时往往表现不佳。提高基因编辑的准确性是研究人员的首要任务,对于确保用这种技术开发的疗法的安全性至关重要。

升级版CRISPR:能准确插入较大DNA,可在神经元中编辑

由Sternberg实验室开发的新的集成系统可以准确地插入大的DNA序列,而无需依赖细胞的机器来修复这些链。

因此,与广泛使用的CRISPR-Cas系统相比,INTEGRATE是一种更精确、更有效的基因修饰方法。新工具还可以帮助科学家在DNA修复活性有限的细胞类型(如神经元)中进行基因编辑,之前,科学家在神经元中尝试使用CRISPR的成功率相对较低。

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