在過去的六年里，一種叫做CRISPR-Cas9的工具改變了基因研究，讓科學(xué)家可以在精確的位置切割和編輯DNA鏈，就像一把小剪刀一樣。
但有時(shí)，完成這項(xiàng)工作需要的不僅僅是剪刀。現(xiàn)在，一個(gè)合作的國(guó)際團(tuán)隊(duì)推出了一種新的基于CRISPR的工具，它更像一個(gè)碎紙機(jī)，可以通過可編程定位消除人體細(xì)胞中的長(zhǎng)鏈DNA。
他們?cè)诜肿蛹?xì)胞中寫道，他們描述了如何成功獲得一種不同類型的CRISPR-Cas系統(tǒng)，稱為I型CRISPR-Cas3，這是第一次在人類細(xì)胞中用作遠(yuǎn)程DNA編輯工具。
由此產(chǎn)生的工具提供了一種比當(dāng)前Cas9工具更長(zhǎng)的定位和刪除DNA擴(kuò)展的方法。這種能力可以用于基因研究，以了解疾病的基礎(chǔ)，并可能治療與長(zhǎng)鏈脫氧核糖核酸相關(guān)的疾病。
負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的密歇根大學(xué)科學(xué)家閆章博士解釋說，這種新工具使用的CRISPR系統(tǒng)不同于廣泛使用的包含Cas9的CRISPR系統(tǒng)。兩者都是從細(xì)菌中借來的，通常用來尋找和清除入侵的DNA。
不同類型的CRISPR
新工具使用的是I型CRISPR，它在細(xì)菌中比含有Cas9的II型變體更常見。I CRISPR從未在任何真核細(xì)胞中使用過，它用一種叫做Cascade的核糖蛋白復(fù)合物來尋找它的靶標(biāo)，用一種叫做Cas3的酶來切碎DNA。
蛋白質(zhì)優(yōu)化和純化的挑戰(zhàn)性工作是在康奈爾大學(xué)教授艾龍克博士的實(shí)驗(yàn)室完成的，他是這篇論文的合著者?？的螤柎髮W(xué)研究生Adam Dolan和UM高級(jí)研究專家侯中剛博士是本文的第一作者。
本研究涉及張先生的長(zhǎng)期研究。他研究了細(xì)菌CRISPR-Cas9，并開發(fā)了編輯人類細(xì)胞遺傳物質(zhì)的工具，而柯使用結(jié)構(gòu)和生化方法研究I型CRISPR。
他們開始嘗試將細(xì)菌CRISPR成分作為蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到人類胚胎干細(xì)胞和另一個(gè)叫做HAP1的細(xì)胞中。通過CRISPR指南，該團(tuán)隊(duì)成功地將目標(biāo)DNA從幾百個(gè)堿基對(duì)刪除到100千個(gè)堿基。
電動(dòng)碎紙機(jī)
張級(jí)聯(lián)-Cas3系統(tǒng)被稱為“帶馬達(dá)的DNA研磨機(jī)”，因?yàn)樗梢匝刂鳧NA基因組移動(dòng)一定的距離，并隨著時(shí)間的推移分解遺傳物質(zhì)。
美國(guó)密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)助理教授張說：“Cas9是一種分子剪刀，只要你愿意，可以在任何地方剪一次?！暗荂as3可以到達(dá)你想要的地方，沿著染色體移動(dòng)，并刪除數(shù)萬個(gè)堿基。這可以使其成為一個(gè)強(qiáng)大的篩查工具，以確定哪些大面積的DNA對(duì)特定疾病最重要?！?
當(dāng)科學(xué)家研究沒有特定蛋白質(zhì)編碼的“非編碼”長(zhǎng)鏈DNA時(shí)，這可能特別有用；“碎紙機(jī)”技術(shù)允許他們拆除一系列長(zhǎng)的延伸部分，看看會(huì)發(fā)生什么。
此外，Cas3在染色體上長(zhǎng)距離傳播的能力不能通過使用任何現(xiàn)有的Cas9技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。因此，Cas3的“核酸酶死亡”版本可以沿著DNA傳播，但缺乏片段化功能，這可能為遠(yuǎn)程表觀基因組工程提供了一個(gè)強(qiáng)大的傳輸平臺(tái)。
科學(xué)挑戰(zhàn)
研究工作的一部分包括弄清楚如何讓人類干細(xì)胞揭示是否有任何DNA被刪除，因?yàn)榇蠖鄶?shù)干細(xì)胞“報(bào)告”系列都用于涉及CRISPR-Cas9的研究，如果切碎活動(dòng)不夠敏感的話。低。莎拉豪登，博士.澳大利亞墨爾本大學(xué)致力于建立敏感的雙報(bào)告細(xì)胞系。
該團(tuán)隊(duì)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是找出破碎機(jī)在完成合同后切碎了什么，使用下一代脫氧核糖核酸測(cè)序，并超越現(xiàn)有方法查看Cas9生成的編輯版本。
侯開發(fā)了基于轉(zhuǎn)座酶的分析方法，UM生物化學(xué)、計(jì)算醫(yī)學(xué)和生物信息學(xué)助理教授Peter Freddolino博士建立了定制的信息學(xué)管道來分析深度測(cè)序結(jié)果。
柯在論文中還指出，由于指導(dǎo)RNA序列需要告訴粉碎機(jī)往哪里走，比CRISPR-Cas9系統(tǒng)中使用的序列要長(zhǎng)，并且由于目標(biāo)搜索和降解是兩個(gè)分離良好的步驟，因此該方法可能會(huì)得到更好的控制。在他們不想要的地方不可能做出錯(cuò)誤的切割。
張推測(cè)，這種新工具及其衍生物可能用于治療目的，盡管它將在未來幾年內(nèi)使用。
已經(jīng)報(bào)道了一些基于CRISPR-Cas9的治療用途，包括對(duì)受體基因進(jìn)行有爭(zhēng)議的編輯，使艾滋病毒能夠進(jìn)入據(jù)報(bào)道在中國(guó)出生的兩個(gè)嬰兒的胚胎細(xì)胞。然而，關(guān)于CRISPR-Cas9無意識(shí)編輯人類患者DNA的擔(dān)憂也浮出水面。還需要做進(jìn)一步的工作，看看“碎紙機(jī)”方法能否避免這個(gè)問題。
UM和康奈爾大學(xué)已經(jīng)為這種新工具申請(qǐng)了聯(lián)合專利。該研究得到了國(guó)家衛(wèi)生研究院(GM128637、GM118174、GM102543和GM117268)和張醫(yī)學(xué)院生物科學(xué)學(xué)者計(jì)劃的支持。
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