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新型CRISPR为啥那么火?

2019-06-17 15:45:43  来源:学术经纬

在生物医学领域,如果一个研究方向能连续在顶级期刊上刊发论文,那其热门程度自然不言而喻。上周,张锋教授团队刚刚在《科学》杂志上报道了一种全新的CRISPR基因编辑工具。在今日最新上线的《自然》论文中,又有一款CRISPR基因编辑工具横空出世。

与传统的基因编辑方法不同,这两项工具并不会简单粗暴地切开双链DNA,并期望同源重组机制对切开的位点进行修复。相反,它们利用的是全新的“转座子”系统。

在介绍最新研究前,我们先来看看经典的CRISPR-Cas基因编辑系统——在特定的基因组位点,一种酶会先在双链DNA上切开一个口子。然后根据研究人员们加入的参照序列,这些细胞会使用自身的DNA修复系统,把切开的口子修复成人们所期望的模样。

这套机制在过去已被证明行之有效,但也暴露出了不少潜在的问题,譬如许多细胞在修复DNA时,会引入一些错误。又譬如一些细胞在双链DNA断裂之后,会出现意想不到的副作用。

 ▲本研究的通讯作者Sam Sternberg教授(图片来源:哥伦比亚大学Sam Sternberg教授实验室官网)

▲本研究的通讯作者Sam Sternberg教授(图片来源:哥伦比亚大学Sam Sternberg教授实验室官网)

“现在的工具就像是分子剪刀。它们能剪开DNA,但实际上的编辑工作是交给了细胞自身的修复机制,”本研究的通讯作者,哥伦比亚大学的Sam Sternberg教授说道:“你只能祈祷细胞能做好它们的工作。”

为了突破传统工具的局限,研究人员们决定引入不依赖细胞本身的基因编辑元件。而他们最终的发现来自一种看似很危险的生物——霍乱弧菌(Vibrio cholera)。

这种细菌因能引起霍乱而知名。但Sternberg教授与他的学生们在筛选潜在基因编辑元件时,发现这种细菌有着一种优良的特质——它们体内有一种“转座子”,也称跳跃基因。顾名思义,它们能够让基因发生“跳跃”,并整合到基因组的不同位点中。研究人员们指出,这种整合功能并不涉及同源重组修复,也就是经典CRISPR-Cas系统的编辑方法。

▲利用转座子技术定点插入DNA序列的示意图(图片来源:Sam Sternberg/Columbia University Irving Medical Center)

▲利用转座子技术定点插入DNA序列的示意图(图片来源:Sam Sternberg/Columbia University Irving Medical Center)

利用这种转座子,研究人员们开发了一种全新的基因编辑系统。与其说它是一把“剪刀”,不如说它是一管“胶水”。利用CRISPR体系,它前往基因组的特定位点。随后,它能以一种高度可控的方法,把外源基因整合入基因组。实验结果表明,他们能将任何不超过10kb的DNA序列插入到任何细菌基因组的特定位点。

“我们并没有简单引入DNA断裂,依赖细胞对其进行修复,” Sternberg教授点评道:“这套INTEGRATE系统直接将预先设定的DNA序列精准地插入到基因组的位点,这是许多分子生物学家追求数十年的结果。”

这套全新的工具也带来了全新的应用前景。研究人员们指出,这有望让CRISPR基因编辑工具在保持简便使用的同时,避免与DNA断裂相关的潜在副作用。下一步,研究人员们期待对其进行优化,测试它在不同细胞(包括哺乳动物细胞)中的基因编辑效果。

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