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Nature Biotechnology小小改动,让CRISPR的精确度提高50倍
来源:生物通 发布时间:2020-01-03

生物通报道:杜克大学生物医学工程科学家研发出一种新方法,可以将CRISPR基因组编辑技术的准确性平均提高50倍,他们相信这种技术将能很快应用到多种编辑技术上。

具体来说,这种方法就是在导向RNA上添加一段短“尾巴”,这种“尾巴”会向后折叠,与其自身结合,形成一个“发夹”结构,只有靶向DNA序列能解开。

这一研究成果公布在4月15日的Nature Biotechnology杂志上。

多个CRISPR系统都会产生不必要的遗传编辑

“一般来说,CRISPR准确性高,但已经有了一些例子出现了脱靶效应,因此这个研究领域对于提高特异性普遍关注。但到目前为止提出的解决方案都不能在不同的CRISPR系统之间轻松转换”,文章作者,杜克大学生物医学工程副教授Charles Gersbach说。

CRISPR-Cas9是一种防御系统,细菌用它来靶向和切割入侵病毒的DNA。虽然第一个被设计用于人体细胞的CRISPR技术源自Streptococcus pyogenes这种细菌,但其它细菌也具有其它的形式。

一直以来,科学家们花费了大量时间,找到了特殊的新CRISPR系统,不断添加到CRISPR库中。例如,一些系统较小,适合病毒载体递送至人体细胞用于基因治疗。但无论这些系统的功能如何,都会产生不必要的遗传编辑。

CRISPR系统的一个共同特性是利用RNA分子作为指导,一旦导向RNA找到其互补的基因序列,Cas9酶就像剪刀一样在DNA中切割,促进基因组序列的改变。但是因为每个序列只有20个核苷酸长,而人类基因组含有大约30亿个碱基对,所以搜寻过程漫长,而且CRISPR有时会出现错误,对上了错误的碱基对。

提高CRISPR准确性的一种方法是两个Cas9分子结合到相同DNA序列的相对链上,完成完全切割。虽然这种方法有效,但它会给系统增加更多部件,增加复杂性,难以实现。

另一种方法是对Cas9蛋白进行基因工程改造,使其功效降低,从而更少的犯错误,但是要构建这样的蛋白并不容易,同时对于不同的CRISPR系统,需要不同的蛋白工程设计。

导向RNA的设计

“现在似乎每周都会发现一种新的CRISPR系统,它们具有独特的性质,在特定的应用中非常有效,”Gersbach说,“每当我们发现新的CRISPR蛋白,进行广泛的重新设计并不是一个容易实现的解决方法。”

“我们希望能研发出对于任何类型的CRISPR系统都是通用的方法,”博士生Dewran Kocak说,“所有CRISPR系统的共同点是都需要导向RNA,这些短RNA更易于设计。”

研究人员提出了新的解决方案:将导向RNA延伸多20个核苷酸,让其自身折叠,变成原始导向RNA的“尾巴”,形成发夹形状。如果DNA序列中有一个碱基不正确,这就会形成一种无法解开的锁定,而由于导向RNA更倾向于与DNA结合,因此碰到正确组合的DNA,就能打开,靶向结合。

“我们能够对这种‘锁定’的强度进行微调,方便导向RNA在达到正确匹配时仍能正常工作,”Kocak说。

研究人员表示,这种方法可以将四种不同细菌菌株的五种不同CRISPR系统的编辑准确率(人体细胞切割的准确性)平均提高50倍。在其中一个案例中,甚至提高了200多倍。

“这是一个非常简单的想法,Dewran多年来的工作表明它的工作方式与我们认为的相符,这是一个很好的解决方案,可以摆脱脱靶效应。”

下一步,研究人员希望能够看到这种方法应用于多少种不同的CRISPR变体,并且深入探索锁定机制的工作原理,CRISPR变体之间是否存在差异等。由于这些实验是在培养的细胞中进行的,研究人员也迫切希望看到这种方法在实际动物疾病模型中是否能提高CRISPR的准确性。

原文标题:Increasing the Specificity of CRISPR Systems with Engineered RNA Secondary Structures                                                  

原文题目: Nature Biotechnology小小改动,让CRISPR的精确度提高50倍

原文来源: http://www.ebiotrade.com/newsf/2019-4/2019415164517507.htm                                        

                       


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