哥倫比亞科學(xué)家捕獲了一種新的基因編輯工具的第一張照片，該工具可以在現(xiàn)有的基于CRISPR的工具上進(jìn)行改進(jìn)。該團(tuán)隊(duì)在霍亂弧菌細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的“跳躍基因”后，開發(fā)了一種名為INTEGRATE的工具，該基因可以在基因組中插入大量遺傳有效載荷而不引入DNA斷裂。

在今天發(fā)表在《自然》雜志上的這項(xiàng)新研究中，研究人員利用了一項(xiàng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的技術(shù)，即冷凍電子顯微鏡技術(shù)來凍結(jié)基因編輯復(fù)合體的作用，從而揭示有關(guān)其工作原理的高分辨率細(xì)節(jié)。

哥倫比亞大學(xué)瓦格洛斯醫(yī)師與外科醫(yī)生學(xué)院生物化學(xué)與分子生物物理學(xué)助理教授薩姆·斯特恩伯格博士說：“我們?cè)诘谝豁?xiàng)研究中展示了如何利用整合來在細(xì)菌細(xì)胞中靶向DNA插入。” 哥倫比亞哥倫比亞大學(xué)生物化學(xué)與分子生物物理學(xué)助理教授以色列·費(fèi)爾南德斯(Israel Fernandez)博士。“這些新圖像與以色列費(fèi)爾南德斯實(shí)驗(yàn)室的精彩合作，以令人難以置信的分子細(xì)節(jié)解釋了生物學(xué)，并將通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)工程工作來幫助我們改善系統(tǒng)。”

開始像CRISPR，但結(jié)局不同

研究人員使用了一種稱為冷凍電子顯微鏡的技術(shù)，該技術(shù)涉及在液氮中快速冷凍基因編輯復(fù)合物的樣品，然后用電子轟擊它。然后，他們使用在電子顯微鏡下捕獲的圖像生成INTEGRATE系統(tǒng)的原子分辨率模型。

結(jié)構(gòu)模型表明，該復(fù)合物由兩個(gè)主要部分組成，這些主要部分排列成螺旋形絲狀。較大的部分稱為Cascade，纏繞并攜帶指導(dǎo)RNA，RNA用來掃描細(xì)胞以尋找DNA中的匹配序列。一旦它定位并結(jié)合了靶序列，它將使DNA鏈穿過位于復(fù)合物末端的TniQ“轉(zhuǎn)座”蛋白，并募集其他有助于修飾DNA的酶。

INTEGRATE的掃描機(jī)制似乎以與其他經(jīng)過充分研究的CRISPR系統(tǒng)類似的方式工作，其中一些還包含帶有指導(dǎo)RNA的Cascade復(fù)合體。但是，與其他使用Cascade靶向DNA進(jìn)行切割的CRISPR系統(tǒng)不同，INTEGRATE中Cascade的功能是靶向DNA以便基因負(fù)載的高精度插入。

“以這種規(guī)?？梢暬飳W(xué)確實(shí)令人驚奇，甚至可以使那些不熟悉該主題的人都容易激動(dòng)。這項(xiàng)工作的質(zhì)量和完成的速度，象征著山姆和以色列等偉大導(dǎo)師提供的合作環(huán)境， ”博士Tyler Halpin-Healy說 哥倫比亞大學(xué)歐文醫(yī)學(xué)中心細(xì)胞，分子和生物物理研究研究生課程的學(xué)生，該研究的第一作者。

在他們之前的研究中，Sternberg及其同事使用遺傳學(xué)和生物化學(xué)來提出CRISPR機(jī)制如何在功能上與轉(zhuǎn)座機(jī)制-負(fù)責(zé)基因“跳躍”的分子-聯(lián)系起來，這項(xiàng)研究證明了他們的假設(shè)是正確的。

為什么重要

現(xiàn)在，世界各地的許多研究人員都在使用CRISPR-Cas9快速廉價(jià)地對(duì)細(xì)胞基因組進(jìn)行精確修飾。但是，CRISPR的大多數(shù)用途涉及切割目標(biāo)DNA的兩條鏈，然后必須通過宿主細(xì)胞自身的機(jī)制修復(fù)DNA斷裂?？刂圃撔迯?fù)過程仍然是該領(lǐng)域中的主要挑戰(zhàn)，并且不希望有的基因編輯常常被無意間引入了基因組中。此外，現(xiàn)有工具在以精確方式插入較大的遺傳有效載荷時(shí)通常效果不佳。提高基因編輯的準(zhǔn)確性是研究人員的當(dāng)務(wù)之急，對(duì)于確保使用此技術(shù)開發(fā)的療法的安全性至關(guān)重要。

由Sternberg實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新型INTEGRATE系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地插入大的DNA序列，而無需依靠細(xì)胞的機(jī)械來修復(fù)鏈。結(jié)果，與廣泛使用的原始CRISPR-Cas系統(tǒng)相比，INTEGRATE被證明是進(jìn)行某些基因修飾的更準(zhǔn)確和有效的方法。該新工具還可以幫助科學(xué)家在DNA修復(fù)活性有限的細(xì)胞類型中進(jìn)行基因編輯，例如神經(jīng)元，而使用CRISPR的嘗試相對(duì)而言不太成功。

下一步是什么

除了通知未來的工程工作外，這些結(jié)構(gòu)還強(qiáng)調(diào)了可能的校對(duì)檢查點(diǎn)。現(xiàn)有的CRISPR技術(shù)通常會(huì)遭受所謂的“脫靶效應(yīng)”，即意外修飾序列。新的結(jié)構(gòu)揭示了Cascade和TniQ如何協(xié)同工作，以確保僅標(biāo)記正確的“目標(biāo)”序列以進(jìn)行DNA插入。研究人員計(jì)劃在開發(fā)用于疾病的新治療方法的工具時(shí)進(jìn)一步探索該檢查點(diǎn)。

該論文的標(biāo)題為“轉(zhuǎn)座子編碼的CRISPR-Cas系統(tǒng)靶向DNA的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”，于12月18日在線發(fā)表在《自然》雜志上。