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Cell:基因表达沉默新技术

来源:生物通 2013-03-11 13:36

来自加州大学旧金山分校的研究人员发现了一种更精确关闭基因的方法,这一成果将加速研究发现和生物技术进步,最终有可能应用于重新编程细胞再生器官和组织。该策略借用了细菌的分子工具箱,利用了一种微生物用以抵抗病毒的蛋白质。研究人员在《细胞》(Cell)杂志上对这一技术进行了详细描述。

            图摘自论文,表示CRISPR干扰系统

关闭基因是癌症和其他疾病靶向治疗的一个重要目标。此外,关闭基因能使研究人员更多地了解细胞的运作机制,这对于揭开驱动正常发育及疾病进程的生物化学信号通路和相互作用的秘密,是一个关键。

“我们曾投入了很大的精力和努力来绘制人类基因组图谱,但我们却仍不了解遗传蓝图导致人类产生的机制,以及如何能够操纵基因组更好地认识和治疗疾病,”研究的资深作者、加州大学旧金山分校系统与合成生物学中心主任、霍华德休斯医学研究所研究员、细胞和分子药理学教授Wendell Lim博士说。

研究人员开发的这项新技术被命名为“CRISPR干扰”,以将其与当前流行的关闭蛋白质生成的另一项技术——RNA干扰区分开来。

研究的主要作者、加州大学旧金山分校系统生物学研究人员Lei Stanley Qi博士说:“CRISPR是一种简单的,在全基因组水平上选择性扰乱基因表达的方法。这一技术提供了一种巧妙的途径来寻找基因组中的所有短DNA序列,然后在序列定位处控制基因表达。”

Lei Stanley Qi博士说,该技术使得研究人员能够更容易及精确地追踪基因激活模式,以及在细胞内发生的生物化学连锁事件,并帮助科学家们鉴别正常控制这些事件,且有可能在疾病中出错的关键蛋白。

不同于传统的RNA干扰技术,CRISPR干扰可以同时沉默任意数量的单个基因。此外,它能够更明确地发挥作用。且如果你想的话,它能够像RNA干扰一样发挥作用,不会关闭非靶向基因。

10多年前,科学家们发现可借助RNA干扰开关基因,由此开创了一个新的研究领域,不仅促成了一个诺贝尔奖项的诞生,还催生了投资达万亿美元的生物技术公司。今年1月,美国食品和药物管理局宣布,首次批准了一种基于相似干扰策略的注射药物治疗,这一药物用于治疗一种罕见形式高胆固醇。

RNA干扰是通过阻断信使RNA(mRNA)来阻止蛋白质生成,其应用绕过了药物开发中常见的一项挑战——蛋白质难靶向的问题。

而CRISPR干扰是在细胞蛋白质制造过程更早的一步发挥作用。“利用RNA干扰时,DNA已经转录成了RNA信息。在这个意义上讲,就如同马已离厩为时已晚。利用CRISPR干扰,我们能够阻止信息被读写,”研究的另一位资深作者、霍华德休斯医学研究所研究员、细胞和分子药理学教授Jonathan Weissman博士说。

CRISPR是“Clustered regularly interspaced short palindromic repeats”(规律成簇间隔短回文重复)的缩写,它是细菌用以保护自身对抗病毒的一个系统。CRISPR能够整合来病毒的少量基因,像疫苗一样发挥作用。细菌可以参考这一病毒库来识别和攻击病毒入侵者。

Lei Stanley Qi和同事们利用来自该系统的一种蛋白Cas9,作为他们能够插入任何特异的RNA伴侣分子的底板。选择的RNA作为一个衔接头,决定了靶向基因组的位点。“能够极其灵活和快速地将这一机器靶向新位点,”Lei Stanley Qi说。

这一研究小组使得该系统能够在哺乳动物和细菌细胞中均发挥作用,现在他们正致力于提高它在哺乳动物,包括在人类细胞中的效率。他们的目标是将Cas9底盘与一种酶连接,使得该技术能够开启和关闭基因。

这样的一个多功能工具能够在重新编程细胞再生医学应用中证明它的价值。Lim实验室长期致力于重编程免疫系统治疗研究研究工作。

Lim说:“我们的想法是重编程细胞,让其完成我们想让它们做的事情。我们还仍然在解析基因组控制细胞重编程能力的秘密。”(生物谷Bioon.com)

Repurposing CRISPR as an RNA-Guided Platform for Sequence-Specific Control of Gene Expression

Lei S-Qi, Matthew H-Larson, Luke A-Gilbert, Jennifer A-Doudna, Jonathan S-Weissman, Adam P-Arkin and Wendell A-Lim.

Targeted gene regulation on a genome-wide scale is a powerful strategy for interrogating, perturbing, and engineering cellular systems. Here, we develop a method for controlling gene expression based on Cas9, an RNA-guided DNA endonuclease from a type II CRISPR system. We show that a catalytically dead Cas9 lacking endonuclease activity, when coexpressed with a guide RNA, generates a DNA recognition complex that can specifically interfere with transcriptional elongation, RNA polymerase binding, or transcription factor binding. This system, which we call CRISPR interference (CRISPRi), can efficiently repress expression of targeted genes in Escherichia coli, with no detectable off-target effects. CRISPRi can be used to repress multiple target genes simultaneously, and its effects are reversible. We also show evidence that the system can be adapted for gene repression in mammalian cells. This RNA-guided DNA recognition platform provides a simple approach for selectively perturbing gene expression on a genome-wide scale.

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