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Nat Biotechnol:利用I型CRISPR/Cas系统对人细胞进行靶向转录调节

来源:本站原创 2019-10-07 15:46

2019年10月7日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,美国杜克大学生物医学工程副教授Charles Gersbach、Gersbach实验室博士后研究员Adrian Oliver及其团队首次描述了他们如何成功地利用I型CRISPR系统开启和关闭基因,并对人细胞中的表观基因组进行编辑。他们希望这能够极大地扩展生物医学工程师可用的基于CRISPR的工具,从而开启一个多样化的基因组工程技术新领域。相关研究结果近期发表在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“Targeted transcriptional modulation with type I CRISPR–Cas systems in human cells”。
示意图指出常见的dCas9系统(上面)和Cascade系统(下面)的组分,图片来自Gersbach Lab。

CRISPR-Cas是一种防御系统,在这种系统中,细菌使用RNA分子和CRISPR相关蛋白(Cas蛋白)靶向并破坏入侵病毒的DNA。随着科学家们学会了如何利用这种系统来特异性靶向和编辑人细胞中的DNA,这一现象的发现和对这种系统的重新利用掀起了基因组编辑革命。

CRISPR-Cas9是当今最常用的基因组编辑工具,被归类为II型CRISPR系统。II型CRISPR系统在细菌界并不常见,但从理论上讲它们更易于操作,这是因为它们仅依赖一种Cas蛋白来靶向和切割DNA。

I型CRISPR系统并不是那么简单,它依靠多种蛋白在称为Cascade(CRISPR-associated complex for antiviral defense,用于抗病毒防御的CRISPR相关复合物)的复合物中共同作用来靶向DNA。在结合DNA后,Cascade招募Cas3蛋白来切割DNA。

Gersbach说:“如果探究世界上所有细菌的CRISPR系统,将近90%是I型CRISPR系统。CRISPR-Cas生物学是生物技术工具的极好来源,但直到最近,每个人都只关注其中的一小部分。”

为了证实I型CRISPR系统的功能,Oliver将基因活化剂连接到了大肠杆菌I型Cascade复合物的特定位点上,从而让这种系统靶向结合调节基因表达水平的启动子。鉴于她在实验中没有使用Cas3蛋白,因此不存在DNA切割,也就不会改变DNA序列。这项实验表明这种Cascade活化剂不仅结合正确的位点,而且可以提高靶基因的表达水平,而且这样做的准确性和特异性与CRISPR/Cas9相当。

Oliver使用来自另一种细菌菌株的I型Cascade复合物重复了该过程,结果发现它能够在多个靶位点上强效地发挥作用。她还发现可以将这种活化结构域(即前面的活化剂)替换为阻遏物,从而关闭靶基因。这些研究人员再次指出,这种方法的准确性和特异性可与CRISPR/Cas9方法媲美。

Oliver说:“我们发现Cascade的结构是极具模块化的,可以在多个位点上连接活化剂或阻遏物,这是改变人细胞基因表达的重要工具。Cascade的灵活性使得它成为有前景的基因组工程技术。”

Gersbach和Oliver在附近的北卡罗莱纳州立大学的合作者Rodolphe Barrangou教授和Chase Beisel教授的鼓励下研究了这种更为复杂的I型CRISPR系统。Barrangou是一位微生物学家,已经研究了各种CRISPR防御机制的自然生物学特性近二十年,而Beisel是一位化学工程师,他与Barrangou一起对携带I型CRISPR系统的微生物进行改造。他们都很好奇Gersbach实验室是否可以像CRISPR/Cas9一样在人体细胞中使用I型CRISPR系统。

Barrangou说:“这项研究及其所产生的技术是北卡罗莱纳州研究三角(North Carolina Research Triangle)地带的跨学科和跨大学的协作如何具有高度创新性和富有成效的绝佳示例。”

如今,Gersbach团队对他们的研究以及该领域其他研究人员的相关研究感到乐观,这将激发对I型CRISPR系统的新研究。

Gersbach说:“这个研究项目的目的是探究CRISPR系统的多样性。在过去的十年中,已经有成千上万篇关于CRISPR/Cas9的论文,但是我们一直在不断了解有关它的新知识。通过这项研究,我们将这种思维方式应用到了CRISPR系统的剩下90%部分。”

到目前为止,该团队证实I型CRISPR系统在准确性和应用方面可与CRISPR/Cas9媲美。当他们考虑未来的研究方向时,他们想要探究I型CRISPR系统与II型CRISPR系统之间的差异,以及这些差异如何对生物技术应用有用。

Gersbach团队还对研究I型CRISPR系统如何解决CRISPR-Cas研究所面临的一般挑战感兴趣,特别是让潜在治疗应用复杂化的问题,比如对Cas蛋白的免疫反应以及同时使用多种类型的CRISPR实现不同基因组工程功能。

Gersbach说:“我们知道CRISPR可能对人类健康产生重大影响。但是我们仍处于了解如何使用CRISPR、它可以发挥什么作用以及我们可以使用哪些CRISPR系统的初始阶段。我们希望这种新工具将能够开辟新的基因组工程领域。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Adrian Pickar-Oliver et al. Targeted transcriptional modulation with type I CRISPR–Cas systems in human cells. Nature Biotechnology, 2019, doi:10.1038/s41587-019-0235-7.

2.New CRISPR class expands genetic engineering toolbox
https://phys.org/news/2019-09-crispr-class-genetic-toolbox.html
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