Nat Biotech：媲美CRISPR-Cas9, 新CRISPR 工具探知90%的基因编辑领域
2019-09-28 纪艳青 生物探索
2类CRISPR–Cas系统，例如Cas9和Cas12，已被广泛用于靶向真核基因组中的DNA序列。但是，代表自然界中所有CRISPR系统90％的1类CRISPR-Cas系统在基因组工程应用中仍未开发。杜克大学(Duke University)的生物医学工程师利用此前未被探索的CRISPR技术，精确地调控和编辑人类细胞中的基因组。通过这种新方法，研究人员希望能极大地扩展基于CRISPR的生物医学工程
代表通用dCas9系统（顶部）和Cascade系统（底部）的组件的插图：Gersbach Lab
2类CRISPR–Cas系统，例如Cas9和Cas12，已被广泛用于靶向真核基因组中的DNA序列。但是，代表自然界中所有CRISPR系统90％的1类CRISPR-Cas系统在基因组工程应用中仍未开发。杜克大学(Duke University)的生物医学工程师利用此前未被探索的CRISPR技术，精确地调控和编辑人类细胞中的基因组。通过这种新方法，研究人员希望能极大地扩展基于CRISPR的生物医学工程师可用工具，为基因组工程技术开辟一个新的、多样化的前沿。
该项研究发表在9月23日的《Nature Biotechnology》杂志上。杜克大学鲁尼家族生物医学工程副教授Charles Gersbach和格斯巴赫实验室的博士后研究员Adrian Oliver是该项研究的领导者。
CRISPR-Cas是一种防御系统，其中细菌利用RNA分子和CRISPR相关（Cas）蛋白靶向并破坏入侵病毒的DNA。这一现象的发现和分子机制的重新定位引发了一场基因组编辑革命，因为研究人员学会了如何利用这一工具专门针对和编辑人类细胞中的DNA。
CRISPR-Cas9是当今最常用的基因组编辑工具，并被归类为2类CRISPR系统。2类系统在细菌世界中不太常见，但从理论上讲它们更易于操作，因为它们仅依赖一种Cas蛋白来靶向和切割DNA。
而1类系统也没那么简单，它依靠多种蛋白质在一个称为Cascade（抗病毒防御的CRISPR关联复合物）的复合物中共同作用来靶向DNA。结合后，Cascade聚集可切割DNA的Cas3蛋白。
Gersbach教授说：“从世界上所有细菌的单个CRISPR系统观察来看，将近90％是1类系统。CRISPR-Cas是生物技术工具一个不可思议的来源，然而直到现在，人们还是只关注到其中的一小部分。”
为了证明1类系统的功能，Oliver博士将基因激活剂连接到了I型大肠杆菌级联复合体的特定位点，并将该系统靶向结合调节基因表达水平的基因启动子。因为她的实验中没有添加Cas3蛋白，所以没有切割DNA，也没有改变基础的DNA序列。实验表明，Cascade激活剂不仅可以结合到正确的位点上，提高靶基因的水平，而且其准确性和特异性可与CRISPR / Cas9相媲美。
Oliver使用来自另一种细菌菌株的I类级联复合物重复了该过程，该菌株在各靶点作用强大。另外她还表明，可以将激活域替换为阻遏物，从而关闭靶基因。研究人员再次指出，该方法的准确性和特异性可与CRISPR / Cas9方法媲美。
Oliver说：“我们发现Cascade的结构非常模块化，可以在多个位置连接激活物或阻遏物，这是改变人类细胞基因表达的重要工具。Cascade的灵活性将使它成为有前途的基因组工程技术。”
北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)益生菌研究领域的著名教授Barrangou对此项研究给予高度评价：这项工作及其所产生的技术是北卡罗莱纳州研究三角的跨学科和跨大学的协作高度创新性和生产力的绝佳示例。
目前，该团队对他们的研究以及该领域其他研究人员的研究感到乐观，此举也将激发科研人员对1类CRISPR系统的新研究。Gersbach说：“该项目的目的是探索CRISPR系统的多样性。在过去的十年中，已经有成千上万篇关于CRISPR-Cas9的论文，但是我们一直在不断学习有关它的新知识。通过这项研究，我们将这种思维方式应用到了其中的另外90％。”
到目前为止，该团队已经证明，这些1类系统在准确性和应用方面可与CRISPR-Cas9媲美。对于未来的研究方向，他们将进一步探索这些系统与2类同类系统之间的差异，以及这些差异如何对生物技术有效应用。
该团队还对研究1类系统如何应对CRISPR-Cas研究的一般挑战感兴趣，特别是那些使潜在治疗应用复杂化的问题，例如对Cas蛋白的免疫反应以及同时使用多种类型的CRISPR实现不同基因组工程功能的问题。Gersbach说：“我们知道CRISPR可能对人类健康产生重大影响。但是我们仍处于了解如何使用CRISPR，它可以做什么以及我们可以使用哪些系统的开始阶段。我们希望这个新工具将为基因组工程的新领域提供支持。”
原始出处：
Adrian Pickar-Oliver, Joshua B. Black, Mae M. Lewis, et al. Targeted transcriptional modulation with type I CRISPR–Cas systems in human cells. Nature Biotechnology. Sep 23, 2019.
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