科学家发现新型基因编辑工具,体积更小,靶点识别能力更强

时间:2020-07-30 相关资料下载



基因编辑技术是对细胞中的DNA序列进行精准操作从而改变细胞命运和生物体特征的技术,该技术为提高人类对于生命遗传的理解以及遗传疾病的治疗提供了重要的工具。


DNA双螺旋结构发现到现在约七十年的时间里,对于细胞和组织中基因组序列以及基因表达模式的决定、分析和改变的生物技术日新月异。尤其是CRISPR-Cas9基因编辑技术的发明,为基因编辑技术的发展带来了革命性的变化。




基因编辑技术日渐成熟,基因编辑工具也在不断扩充。但是,当前基因编辑系统使用的Cas蛋白体积通常较大,这无疑严重限制了其应用与推广。因此,全世界研究人员也不断地探索新的CRISPR蛋白或改造现有蛋白,以实现更高效、更准确的基因编辑。

近日, CRISPR-Cas 基因编辑的开创者之一 UC Berkeley 的研究者 Jennifer Doudna 发表题为《CRISPR-CasΦ from huge phages is a hypercompact genome editor》的文章。




文章主要介绍了一种来源于巨大噬菌体的超紧凑型CRISPR-CasΦ(CasF)基因编辑系统,只有传统 Cas9, Cas12a 系统约一半大小,可以在体外实验、人类细胞以及植物细胞中产生有效的基因编辑能力。这一发现将极大的优化 CRISPR 基因编辑的递送系统,具有广泛的应用价值。


CRISPR-Cas 系统是原核生物适应性免疫系统,通常只能在细菌来源的基因组中发现,但最新的研究发现无处不在的巨大噬菌体基因组中也普遍存在 CRISPR-Cas 系统。

根据最新论文发现,CasΦ系统包含约一个70KD的单个蛋白质和一个CRISPR阵列。研究人员介绍,它使用单个活性位点进行crRNA加工和crRNA引导的DNA切割,用于靶向外来核酸,并且在体外以及在人和植物细胞中均具有活性。与在微生物中发现的Cas蛋白不同,在噬菌体中发现的Cas核酸酶往往缺乏CRISPR间隔子获取机制,并且通常具有紧凑的CRISPR阵列,可以靶向竞争噬菌体或噬菌体宿主的基因。




从进化关系而言,CasΦ,研究人员也称其为Cas12j,是在巨大噬菌体Biggiephage中编码的Cas蛋白家族,它与从V型CRISPR-Cas蛋白质进化而来的核酸酶超家族轻微相关,但其他V型CRISPR-Cas蛋白的同源性不足7%。它使用单个活性位点进行CRISPR RNA(crRNA)加工和crRNA指导的DNA切割,以靶向外来核酸。

研究人员在论文中还研究了来自宏基因组的三个不同的CasΦ直系同源物:CasΦ-1,CasΦ-2和CasΦ-3。

他们发现,CasΦ-2和CasΦ-3诱导了基因组整合增强型绿色荧光蛋白(EGFP)基因的定向破坏。其中,具有单个指导RNA的CasΦ-2能够编辑多达33%的细胞,这与先前报道的CRISPR-Cas9,CRISPR-Cas12a和CRISPR-CasX的水平相当。

此外,植物原生质体中的实验证实,通过核糖核蛋白复合物进行转染时,CasΦ-2对拟南芥的PDS3基因亦具有相当的编辑能力。




研究者还通过大肠杆菌表达系统及质粒干扰检测来研究 CRISPR-CasF 行使功能所需的元件,发现 CasF 系统并不需要 tracrRNA,可以通过改变 gRNA 可以快速实现对其他 DNA 的靶向切割。




这种超紧凑(hypercompact)系统在体外系统、人类细胞以及植物细胞中都具有活性,并且相对其他 CRISPR-Cas 蛋白具有更强的靶点识别能力。

仅仅只有 Cas9 和 Cas12a 基因编辑酶的一半分子量,CasΦ展示的巨大基因编辑潜力,是对基因编辑的细胞递送能力是一个革命性的突破,也扩大了基因编辑的“工具箱”。



但对于优化CasΦ用于基因编辑,以及探索用于设计靶向特定基因的指导RNA的最佳方法上,研究人员还有很长的路要走。



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