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新的基因编辑器利用跳跃基因进行精确的DNA整合

哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生学院的研究人员的一项新发现可以解决当前基因编辑工具(包括CRISPR)的一个主要缺点,并为基因工程和基因治疗提供了一种强有力的新方法。

他们的新技术称为INTEGRATE,利用细菌跳跃基因将任何DNA序列可靠地插入基因组而不切割DNA。目前的基因编辑工具依赖于切割DNA,但这些切割可能导致错误。

新的基因编辑器利用跳跃基因进行精确的DNA整合

“目前的工具就像分子剪刀:他们切割DNA,但实际编辑是由细胞自身的DNA修复机器完成的,”哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学助理教授,新研究的资深作者Sam Sternberg博士说。“你完全可以完成这项工作。”

今天在线发表在“ 自然 ”杂志上的新INTEGRATE技术更像分子胶而不是分子剪。

“而不是引入DNA断裂并依赖细胞来修复断裂,INTEGRATE直接在基因组中的精确位置插入用户定义的DNA序列,这是分子生物学家几十年来一直寻求的能力,”最近Sternberg说道。从加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna实验室招募到哥伦比亚大学。

目前的工具很挑剔

使用当前工具编辑单元格的基因组就像使用文字处理器编辑一个巨大的文档,但使用具有自己思想的软件。通常,研究人员希望在一个特定的DNA碱基序列上做一个小的改变,使基因组的其余部分保持不变。目前最好的工具,使用来自一种细菌CRISPR-Cas系统的组件构建,以特定序列切割DNA分子的两条链,例如在一段文本中添加段落。

这些中断只是起点:实际的“编辑”是由细胞自身的DNA修复机制完成的,通常使用研究人员提供的DNA序列来填补空白。

依靠细胞的修复机械有很大的局限性。许多细胞不正确地修复DNA断裂或在过程中引入错误,并且其他细胞甚至可能不表达插入新遗传有效载荷的必要修复机制。此外,DNA断裂引发DNA损伤反应,可能产生其他不良反应。

这使得某些细胞类型中的基因编辑变得困难或不可能,并严重限制了研究人员以安全的方式引入精确遗传修饰的能力。

INTEGRATE系统利用跳跃基因

这项新工作通过一个独立的DNA编辑系统解决了这个问题 - 该系统来自霍乱弧菌 - 不需要细胞的任何帮助。

CRISPR是一类非常多样化的细菌天然防御系统。为了找到新的基因编辑工具,Sternberg和三名研究生寻找细菌,以寻找经过充分研究的CRISPR-Cas系统的变体,这些系统具有不寻常的特性,可以揭示新的工具能力。

这种搜索使它们成为在霍乱弧菌中发现的转座子或“跳跃基因”。这种转座子选择了细菌的CRISPR-Cas系统,通常用于阻止移动遗传元件,将自身插入细菌基因组的不同区域。

Sternberg和他的学生发现转座子整合到细菌基因组中的特定位点,而不是通过将DNA切割成两个,而是通过使用单独的酶将转座子滑入基因组。重要的是,酶(整合酶)插入DNA的位点完全由其相关的CRISPR系统控制。

研究人员利用这一发现创建了一种基因编辑工具,可以编程将任何DNA序列插入细菌基因组的任何位点。与CRISPR一样,整合酶通过指导RNA找到合适的位点。

通过重新编程指导RNA,Sternberg和他的学生能够精确控制供体DNA整合的位置。通过用其他DNA有效载荷替换转座子序列,它们可以将长达10,000个碱基的序列插入细菌基因组中。因此,与其他基于整合的编辑工具不同,INTEGRATE技术是迄今为止研究的第一个完全可编程的插入系统。

对编辑过的细菌进行测序证实,有效载荷是精确插入的,在非目标位置没有额外的拷贝。

改进的基因编辑

使用INTEGRATE,一组酶可以执行整个DNA整合过程,可靠地将任意DNA有效负载插入细胞基因组内的精确位置,而无需依赖宿主细胞的DNA修复机制。

该技术应该能够提供广泛的新基因编辑机会。许多生物技术产品,包括基因和细胞疗法,工程化作物和生物制剂,需要精确整合大型遗传有效载荷。

INTEGRATE技术提供了一种全新的方法,具有与CRISPR-Cas9相同的可编程性和易用性,但没有与DNA断裂相关的副作用。

“我们可以对这种CRISPR转座子系统进行编程,将其遗传有效载荷整合到几乎任何基因组位点,通过了解其工作原理,我们将能够将其设计为更有效,”Sternberg说。

下一步

Sternberg的团队使用细菌遗传学实验开发了INTEGRATE技术,现在他们正在测试其他细胞类型,包括哺乳动物细胞。

基于CRISPR-Cas9技术的发展轨迹,Sternberg说,有充分的理由相信精确的DNA整合将在哺乳动物细胞中像在大肠杆菌中一样有效,为基础研究用途和最终的临床应用打开了大门。

Sam Sternberg是哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生学院生物化学和分子生物物理系的助理教授。

Sanne E. Klompe,Phuc LH Vo和Tyler S. Halpin-Healy是哥伦比亚大学艺术与科学研究生院生物医学科学的博士生

INTEGRATE代表“通过指导RNA辅助靶向插入转座因子”。

这篇题为“转座子编码的CRISPR-Cas系统直接RNA指导DNA整合”的论文于6月12日在线发表在“ 自然 ”杂志上。

该研究得到了哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生学院院长的启动资金以及哥伦比亚大学Vagelos精准医学基金的试点资助。

哥伦比亚大学已经提交了与此项工作相关的专利申请,其中SEK和SHS是发明人。SEK和SHS是与CRISPR-Cas系统及其用途相关的其他专利和专利申请的发明人。SHS是Dahlia Biosciences的联合创始人和科学顾问,也是Dahlia Biosciences和Caribou Biosciences的股权持有人。

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