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CRISPR编辑系统升级 利用“跳跃基因”精确插入DNA片段

来源:学术经纬 2019-06-12 12:18

 

 

顶尖学术期刊《科学》最新上线发表的一篇论文中,Broad研究所、麻省理工学院McGovern脑研究所的张锋教授与其同事带来了一款全新的CRISPR基因编辑工具,利用“跳跃基因”,让DNA片段插入基因组变得更加容易。大肠杆菌中的实验结果显示成功率达到80%,远高于经典CRISPR系统。

革命性的基因编辑工具CRISPR/Cas系统实现了在基因组特定位点进行精准编辑。不过,以经典的CRISPR/Cas9为例,从基因组中删除DNA片段相对容易,要用另一段序列替换原有DNA片段则困难得多。原因在于,“基因剪刀”Cas9把DNA切断后,DNA双链通过内源损伤修复通路自然愈合,新DNA片段的整合依靠同源重组或非同源末端连接来实现,效率低,而且在很多细胞类型中不起作用。

此次,张锋教授团队新开发的升级版CRISPR编辑系统在靶向插入DNA这方面做出了突破。用“改正”的DNA序列来取代含有致病突变的序列,将为治疗某些遗传疾病提供极大的帮助。

之所以新的CRISPR升级版本可以让插入DNA变得更容易,关键在于首创性地利用了“跳跃基因”。顾名思义,这类DNA片段在基因组中有移动能力。跳跃基因又叫转座子,可以利用编码的转座酶将自己从原来的位置切割出来,并“跳跃”到基因组的其他位置插入进去。

通常情况下,跳跃基因在细胞内既有可能帮助修复突变,也可能引起有害突变。而CRISPR研究人员想要做的是引导和控制转座子的跳跃,使之插入到基因组的特定位置,避免破坏DNA。

研究团队从蓝藻Scytonema hofmanni中获得一种转座酶,它的3个亚基与一种CRISPR效应蛋白Cas12k相关联。他们将这一系统命名为CAST,即CRISPR相关转座酶(CRISPR-associated transposase)。

CAST系统利用Cas12k在基因组中搜寻特定的序列位点,Cas12k没有活性核酸内切酶功能,与DNA只结合不剪切,而是由转座酶将基因片段直接插入靶位点。不涉及同源重组途径,也让这种方法具有安全性上的优势。

研究团队在大肠杆菌中测试了重编程CAST系统的DNA插入结果,效率非常惊人:经过PCR确认,在基因组目标位点有2.5kb长度的插入产物,并且插入成功率达到80%。相比之下,利用经典CRISPR,这个比例只有1%左右。

不过目前CAST目前同样存在脱靶的危险,将DNA插入到一些不该插入的地方。目标编辑与非目标编辑的比例为99:1。是否一个脱靶DNA的改变就足以致病,比如说破坏一个关键的抑癌基因,这类潜在问题还需要更多的研究来证明。

研究者下一阶段将在更复杂的模式生物中检测这一新系统。尽管还没有在细菌以外进行测试,但CAST为更高效的新一代基因编辑系统带来希望。

正因为如此,这项工作引起了很多科学家的关注。俄勒冈健康与科学大学(Oregon Health and Science University)的生殖生物学家Shoukhrat Mitalipov教授表示,这种新技术有可能用于通过基因组编辑来治疗疾病,“因为它看起来(比经典的CRISPR)更高效、更精确。虽然只是第一步,已经非常令人鼓舞。”(生物谷Bioon.com)

 

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