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新的基因编辑器利用跳跃基因进行精确的DNA整合

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-03-16浏览次数:707

哥伦比亚大学Vagelos外科医生和外科医生研究所的一项新发现可以解决当前基因编辑工具(包括CRISPR)的一个主要缺点,并为基因工程和基因治疗提供强有力的新方法。

他们的新技术称为INTEGRATE,使用细菌跳跃基因可以将任何DNA序列可靠地插入基因组而不会切割DNA。目前的基因编辑工具依赖于切割DNA,但这些切割可能导致错误。

“目前的工具就像分子剪刀:他们切割DNA,但实际的编辑是由细胞自己的DNA修复机完成的,”哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学助理教授Sam Sternberg博士说。 “你可以做到这一点。”今天在线发表在“自然”杂志上的新INTEGRATE技术更像分子胶而不是分子剪。

“不是引入DNA断裂并依赖细胞修复断裂,INTEGRATE直接在基因组中的精确位置插入用户定义的DNA序列,这是分子生物学家几十年来一直追求的能力,”Sternberg最近说。在加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna实验室从哥伦比亚大学招聘。

当前的工具非常挑剔

使用当前工具编辑单元格的基因组就像使用文字处理器编辑大型文档,但使用具有您自己想法的软件。通常,研究人员希望对特定的DNA碱基序列进行微小的改变,使基因组的其余部分保持完整。目前可用的最佳工具是使用细菌CRISPR-Cas系统的组件构建的,以特定顺序切割两条DNA分子,例如在一段文本中添加段落。

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。

依赖细胞的修复机器有很大的局限性。许多细胞错误地修复DNA断裂或在这一过程中引入错误,其他细胞甚至可能无法表达插入新基因有效载荷所需的修复机制。此外,DNA碎片会引发DNA损伤反应,并可能导致其他不良反应。

这使得某些细胞类型的基因编辑变得困难或不可能,严重限制了研究人员以安全的方式引入精确的基因修改的能力。这个集成系统利用跳跃基因的新工作,通过一个独立的DNA编辑系统来解决这个问题这个系统来自霍乱弧菌不需要细胞的任何帮助。

Crispr是一种非常多样化的细菌自然防御系统。为了找到新的基因编辑工具,Sternberg和三名研究生寻找细菌,寻找研究良好的Crispr-Cas系统的变种,这些系统具有不寻常的特性,揭示了新的工具功能。

这项研究使它们成为霍乱弧菌中的一个转座子或“跳跃基因”。这个转座子选择细菌crispr-cas系统,这是通常用来阻止移动的遗传元素,并插入到细菌基因组的不同区域。

Sternberg和他的学生发现转座子整合到细菌基因组的一个特定位置,而不是将DNA切割成两个,而是使用一种单独的酶将转座子滑入基因组。重要的是,酶(整合酶)插入DNA的位置完全由相关的CRISPR系统控制。

利用这一发现,研究人员创建了一种基因编辑工具,可对其进行编程,将任何DNA序列插入细菌基因组的任何部分。与CRISPR一样,整合酶通过指导RNA找到正确的位点。

通过重新编程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,它们可以将多达10,000个碱基的序列插入细菌基因组中。因此,与其他基于集成的编辑工具不同,INTEGRATE技术是有史以来第一个完全可编程的插入系统。

对编辑过的细菌进行测序证实,有效载荷是精确插入的,并且在非目标位置没有额外的拷贝。改进的基因编辑使用INTEGRATE,这是一组执行整个DNA整合过程的酶,可以将任何DNA有效负载可靠地插入细胞基因组内的精确位置,而无需依赖宿主细胞DNA修复机制。

这项技术应该能够提供广泛的新的遗传编辑机会。许多生物技术产品,包括遗传和细胞疗法,工程作物和生物制剂,都需要精确整合大型遗传有效载荷。

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片段化相关的副作用。

“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基因座中,通过了解它的工作原理,我们将能够更有效地设计它,”Sternberg说。

接下来,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。

基于CRISPR-Cas9技术的进化轨迹,Sternberg说有充分的理由相信精确的DNA整合在哺乳动物细胞中与大肠杆菌一样有效,为基础研究应用和最终的临床应用打开了大门。 Sam Sternberg是哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生研究所生物化学和分子生物物理系的助理教授。

Sanne E. Klompe,Phuc LH Vo和Tyler S. Halpin-Healy是博士。哥伦比亚大学艺术与科学学院的生物医学科学学生。 INTEGRATE代表“引入转座因子的RNA辅助靶向插入”。题为“转座子 - 协调的CRISPR-Cas系统直接RNA引导的DNA整合”的论文于6月12日在线发表在Nature上。

该研究由哥伦比亚大学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提供资金。