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Science:基因编辑大牛张锋再发力,揭示只靶向RNA的新型CRISPR系统

来源:生物谷 2016-06-03 21:02

2016年6月3日/生物谷BIOON/--在一项新的研究中,来自美国国家卫生研究院(NIH)、哈佛大学-麻省理工学院布罗德研究所(简称布罗德研究所)、麻省理工学院、罗格斯大学新伯朗士威校区和俄罗斯斯科尔科沃理工学院等机构的研究人员描述了一种靶向作用于RNA而不是DNA的新型CRISPR系统。相关研究结果于2016年6月2日在线发表在Science期刊上,论文标题为“C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector”。

这种新的CRISPR系统有潜力提供一种强大的方法进行细胞操纵。尽管DNA编辑让细胞基因组发生永久性变化,但是这种基于CRISPR的RNA靶向方法可能允许科学家们让细胞基因组发生可根据需要进行上下调节的临时变化,而且比现存的RNA干扰方法具有更大的特异性和功能性。

在这项研究中,来自布罗德研究所的张锋(Feng Zhang)及其同事们与来自NIH的Eugene Koonin及其同事们、来自罗格斯大学新伯朗士威校区的Konstantin Severinov等组成一个合作小组,鉴定出一种RNA引导的能够靶向结合和降解RNA的酶C2c2,并对C2c2进行功能性描述。

这些发现揭示出C2c2---鉴定出的首个自然发生的只靶向作用于RNA的CRISPR系统,是由这个合作小组于2015年10月发现的---有助保护细菌免受病毒感染。他们证实C2c2经基因编程后能够切割细菌细胞中的特定RNA序列,这可能往分子生物学工具箱中增加了一个重要的工具。

C2c2只针对RNA发生作用可作为靶向作用于DNA的CRISPR-Cas9系统的重要补充。这种只靶向作用于RNA---协助执行基因组指令---的能力能够让人们特异性地和高通量地操纵RNA,以及更加广泛地操纵基因功能。这有潜力加快理解、治疗和预防疾病的步伐。

论文共同通信作者Feng Zhang说,“C2c2为强大CRISPR工具的一个全新领域打开大门。对C2c2而言,它有大量的可能性,而且我们兴奋地将它开发为一种用于生命科学研究和医学的平台。”

论文共同通信作者Eugene Koonin说,“对C2c2的研究揭示出一种细菌似乎用来抵抗病毒感染的全新生物学机制。这种策略的应用可能是非常引人注目的。”

当前,用于开展基因敲降(gene knockdown, 也译作基因敲落)的最为常见的技术是小干扰RNA(siRNA)。根据研究人员的说法,C2c2 RNA编辑方法表现出更好的特异性,有潜力具有更为广泛的应用,比如:

(1)将核苷酸组件加到特异性RNA序列上以便改变它们的功能---它们如何翻译为蛋白,这将使得它们成为有价值的工具用于大规模筛选和构建人工合成的调节网络;
(2)利用C2c2对RNA进行荧光标记,以便研究它们的运输和亚细胞定位。

在这项新的研究中,研究人员能够利用C2c2精确地靶向结合和移除特异性RNA序列,这会降低该RNA制造的蛋白的表达水平。这提示着C2c2可能能够代表着siRNA的一种替代性方法,弥补基于CRISPR的DNA编辑方法的特异性和简单性问题,并让科学家们能够利用RNA开展可调节的基因“敲降”。

C2c2具有让它适合用于工具开发的优势:(1)C2c2是一种双组分系统,只需要单向导RNA就可发挥功能;(2)C2c2是能够基因编码的,这意味着必需的组分能够作为DNA进行合成并运送到组织和细胞中。

Zhang实验室研究生Omar Abudayyeh说,“C2c2可能对我们理解RNA在疾病和细胞功能中发挥最大的影响。”(生物谷 Bioon.com)

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C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector

doi:10.1126/science.aaf5573

Omar O. Abudayyeh1,2,3,4,*, Jonathan S. Gootenberg2,3,4,5,*, Silvana Konermann2,3,4,*, Julia Joung2,3,4, Ian M. Slaymaker2,3,4, David B.T. Cox1,2,3,4,6, Sergey Shmakov7,8, Kira S. Makarova8, Ekaterina Semenova9, Leonid Minakhin9, Konstantin Severinov7,9,10, Aviv Regev2,6, Eric S. Lander2,5,6, Eugene V. Koonin8,†, Feng Zhang

The CRISPR-Cas adaptive immune system defends microbes against foreign genetic elements via DNA or RNA-DNA interference. We characterize the Class 2 type VI-A CRISPR-Cas effector C2c2 and demonstrate its RNA-guided RNase function. C2c2 from the bacterium Leptotrichia shahii provides interference against RNA phage. In vitro biochemical analysis show that C2c2 is guided by a single crRNA and can be programmed to cleave ssRNA targets carrying complementary protospacers. In bacteria, C2c2 can be programmed to knock down specific mRNAs. Cleavage is mediated by catalytic residues in the two conserved HEPN domains, mutations in which generate catalytically inactive RNA-binding proteins. These results broaden our understanding of CRISPR-Cas systems and suggest that C2c2 can be used to develop new RNA-targeting tools.

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