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对速度的需求使基因组编辑有效如果不是更好

莱斯大学的研究人员开发了一种计算模型来量化CRISPR-Cas9蛋白质发现其基因组编辑目标的机制。化学和化学和生物分子工程的Rice教授和校友AlexeyShvets的Anatoly Kolomeisky改编了他们之前开发的系统,以显示蛋白质通常如何找到它们的生物靶标。他们希望修改后的模型能够帮助解开CRISPR的其余奥秘。

对速度的需求使基因组编辑有效如果不是更好

在其天然状态下,CRISPR代表“聚集有规律的间隔短回文重复”,是细菌保护自身免受病毒感染的生物学机制。这些细菌包含了一份外国DNA,并建立了所有入侵者的记录。它们在检测到新入侵者时引用该记录并使用它来销毁它们。

近年来,研究人员已开始调整基因组编辑中使用的机制,该机制具有治愈疾病和增强包括人类在内的生物体的潜力。但是,使用CRISPR方法的系统之一CRISPR-Cas9蛋白将切割并替换错误的靶序列,引入突变,这是一个绊脚石。

生物物理杂志中描述的Rice模型发现,当允许这些脱靶编辑发生时,CRISPR-Cas9可能更有效地定位良好的靶标,因为蛋白质不会浪费时间与脱靶相关以继续搜索。

Kolomeisky说,这可能是也可能不是一件好事,但它肯定值得研究。

“错误率(脱靶率)有时是10-20%,”他说。“我们有两个想法:一个是病毒变异非常快,也许细菌试图削减只是稍微突变的目标,以便更灵活。另一个是有蛋白质可以纠正错误,所以如果错误的削减并不多,系统可以容忍它们。

Kolomeisky说,他的模型是一个简单的步骤,可以找出CRISPR编辑的动态。“CRISPR-Cas9是最受欢迎的变种,因为它只含有一种蛋白质,在生物学上更容易使用,”他说。

莱斯实验室开发了其原始模型,以了解蛋白质如何沿着DNA滑动以找到目标并触发基因转录等过程。Kolomeisky指出,CRISPR先驱Jennifer Doudna发现CRISPR-Cas9不会以同样的方式寻找。“她发现DNA不会在任何地方滑动,”他说。

相反,根据Doudna和她的团队,蛋白质最初识别三核苷酸PAM(用于原型间隔相邻基序)序列,标记潜在靶标的位置。“CRISPR发现并结合PAM,然后其相关的RNA探索相邻的DNA,看看它是否是目标,”Kolomeisky说。“如果是的话,蛋白质会开始减少。如果没有,它会解除分离,并寻找其他地方。”

在Doudna随后删除PAM序列的实验中,CRISPR-Cas9蛋白根本找不到它们的靶标。因此,PAMs具有重要作用,而不仅仅是一个通用的间隔物,他说。“一旦我读到这篇文章,我就知道我们也可以在这里使用我们的模型。”

理论模型着眼于第一次通过过程 - 当系统超过物理或化学阈值时发生的那些过程,例如找到相关的PAM来跟踪插入到细胞中的CRISPR-Cas9蛋白,因为它们首先调查PAM序列,然后结合到PAMs,搜索与Cas9 RNA相匹配的DNA靶标。

他们发现,通过与“错误”DNA分离而避免脱靶的切割的CRISPRs比需要切断目标的DNA需要更长时间才能解决。“走向错误的PAM需要时间,”Kolomeisky说。“我们的计算结果表明,当有时会在错误的地方切割时,CRISPR可以更快地找到真正的目标。进入正确目标的部分可能会更小,但最终会削减它们。

“这是一个简单的模型,完全可以解决,”Kolomeisky说。“如果有人想测试,该模型可以提供具体的预测,并在某些情况下提供应该观察的趋势。”模型中遗漏的是能够看到RNA密钥是否同时识别其靶标同时与DNA结合 - 或者依次与核苷酸核苷酸结合。

“关于CRISPR的最令人印象深刻的事情不是在细菌中发现免疫系统,而是在生物技术领域创造了一场革命,因为它意味着在任何细胞中我们都能在特定位置切割任何DNA,非常精确,”科洛梅斯基说。“我希望我们的工作能够激发更多的基础研究,因为我非常喜欢CRISPR方法。但是当人们应用它而不理解它在分子水平上如何工作时,我感到不快乐。”

Shvets现在是麻省理工学院的博士后研究员。Kolomeisky是化学和化学与生物分子工程的教授。

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