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Nat Biotechnol:开发出能同时对多个基因组位点进行编辑的超强基因编辑工具—CHyMErA

来源:本站原创 2020-04-05 15:58

2020年4月5日 讯 /生物谷BIOON/ --近日,一项刊登在国际杂志Nature Biotechnology上的研究报告中,来自多伦多大学等机构的科学家们通过研究开发了一种新技术能同时对基因组中多个位点进行编辑,从而就有望帮助研究不同DNA的组合与人类健康和疾病的关联。基于CRISPR的DNA编辑技术能通过对任何人类基因进行精确剔除来研究其功能,从而就能彻底改变科学家们对人类基因组的研究,但目前研究人员仍然面临众多挑战,比如如何在相同细胞中同时移除多个基因或基因片段,这种类型的基因组“手术”对于科学家们而言,了解基因组不同部分在正常生理和疾病状况下是如何协同发挥作用的似乎更为重要。

图片来源:Ernesto del Aguila III, National Human Genome Research Institute, NIH

如今研究人员开发了一种名为CHyMErA(Cas Hybrid for Multiplexed Editing and Screening applications)的新技术,其能应用到任何哺乳动物细胞中,同时系统性地靶向作用多个位点的DNA片段,CRISPR剪刀能通过导向RNA分子将DNA切割酶运送到基因组上的预想位点中,而使用最为广泛的DNA切割酶就是Cas9酶,自Cas9问世以来,科学家们一直寻找其它具有独特特性的Cas酶,以寻求改进和扩展该技术的应用;与CRISPR-Cas9技术不同的是,ChyMErA技术能将Cas9和Cas12a两种不同的DNA切割酶进行结合,从而实现多种用途,Cas12a酶是一种能用来在相同细胞中产生多个导向RNA分子的关键酶类,而这是同时进行DNA编辑的关键。

研究者Thomas Gonatopoulos-Pournatzis表示,我们花费了多年来开发能同时检测Cas9和Cas12a酶的组合性基因编辑技术,随后我们将这些酶类进行结合开发出了ChyMErA系统;研究人员尝试了多种方法来诱导基因片段缺失,但并没有哪一种手段会比ChyMErA更加有效;研究者发现,ChyMErA能够成功剔除基因片段,随后研究者在大规模筛查中利用该技术来系统性地分析基因如何进行结合来发挥作用。在ChyMErA技术的帮助下,研究人员就能够使用两种酶中最好的酶类来进行基因编辑,Cas9已经被广泛改进拥有较高的编辑效率,而Cas12a则能允许多种导向RNAs的使用,因此其在寻找能在基因组中进行位点切割上具有更大的灵活性。

在ChyMErA技术的一项应用中,研究人员靶向作用了称之为旁系同源基因(paralogs)的一对基因,其拥有相似的DNA代码,但由于研究难度极大,因此研究者对其研究很少;因为旁系同源基因是由祖先基因复制而产生的,所以研究者推测其在很大程度上扮演着相似的角色,但通过当前用于基因筛选的单基因靶向技术并不能揭示该基因的功能,更重要的是因为其它的旁系同源基因会弥补所缺失的基因。

研究者Kevin Brown表示,在ChyMErA技术的帮助下,我们就能成对地对这两个基因进行分析来观察是否其祖先基因的功能对于细胞存活至关重要;如今我们就能研究以前被忽略的一类基因了。当敲除了人类基因组上几乎存在的所有(大约700对)旁系同源基因后,研究者通过分析证实,其中很多基因对在细胞生存中都发挥着非常相似的作用,而其它基因则拥有不同的功能。

ChyMErA技术的另一个特点就是,Cas9和Cas12a都能被部署到附近的基因组位点中,来切割诸如外显子等基因片段,这就能够帮助研究人员单独剔除数千个与癌症和大脑功能相关的外显子(这些外显子并不适合单独使用Cas9进行靶向治疗)。外显子通常会以不同的方式被包含在基因的转录物中,并能修饰编辑蛋白的功能,尽管研究者并不清楚单一外显子对细胞过程的贡献量到底如何;研究人员利用ChyMErA技术对2000个外显子进行了分析,他们发现,有超过100个外显子都会细胞存活至关重要,这或许就有望帮助研究人员聚焦这些外显子在多种疾病发生中所扮演的关键角色。

最后研究者Gonatopoulos-Pournatzis说道,一旦我们是识别出了在疾病发生过程中扮演关键角色的外显子,我们就能够利用相关信息来开发治疗多种人类疾病的新型疗法。(生物谷Bioon.com)

原始出处:

Gonatopoulos-Pournatzis, T., Aregger, M., Brown, K.R. et al. Genetic interaction mapping and exon-resolution functional genomics with a hybrid Cas9–Cas12a platform. Nat Biotechnol (2020). doi:10.1038/s41587-020-0437-z

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