两篇 Nature 连发: 下一代基因组编辑技术诞生, 有望比肩 CRISPR

学术   科学   2024-07-09 12:25   上海  

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科研进展

已知细菌会使用所谓的“跳跃基因”实现其自身基因组的重新排列和快速进化。现在,科学家们在其中发现了一种「移动遗传元件」,有望被用于实现对人类自身大部分 DNA 的重排 [1,2]
这种被命名为桥接 RNA (bridge RNA的第三代基因编辑工具保留了 RNAi 和 CRISPR 技术具有“可编程性”的这一关键特性,同时还可以直接在两个 DNA 分子之间进行序列特异性重排,从而使我们朝着“大规模基因组设计”又迈进了一大步。

该研究发表在 Nature 杂志上,同期发表的另外一篇论文则通过冷冻电镜技术详解了桥接 RNA 工作过程中的结构变化。

🇺🇸 加州大学伯克利分校遗传学家 Patrick Hsu 是这两篇 Nature 论文的共同通讯作者。他曾师从基因编辑技术先驱之一的张锋,参与了 CRISPR-Cas9 相关的工作。他在新闻发布会上表示“ Crispr 和 RNAi 是直接 DNA 与 RNA,一成果实现了对上述两种技术的超越,拓展了我们的基因组设计工具箱”。

  • Source: © Ray Rudolph
    完成该工作的 Arc 研究所的科学家 Patrick HsuNick PerryMatt Durrant。Arc 研究所 (Arc Institute) 总部位于美国加利福尼亚州帕洛阿尔托,是一家独立机构,由斯坦福大学、加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校合办。

他的团队发现的一种酶能利用到桥接 RNA;桥接 RNA 包括两部分一部分与供体 DNA 序列结合 (donor binding loop),另一部分与目标 DNA 结合 (target binding loop) 以插入供体序列。这一发现源于对一种可剪切和粘贴到微生物基因组中的转座因子的研究。序列两侧的非编码 RNA 控制的是一种被称为“DNA 重组酶”酶。

  • Source: © Visual Science
    这一基因编辑新系统使用“可编程”的桥接 RNA (bridge RNA) 实现对基因组的修改。
英国曼彻斯特大学基因组编辑团队负责人 Antony Adamson 博士表示“这项新研究再次深入研究了细菌基因组,发现了一些 Crispr-Cas 基因的远亲,即重组酶……重组酶已被人们熟知一段时间,可以促进非常长的 DNA 序列的重排,但迄今为止,这些系统都还不是‘可编程的’。”

  • Source: © Visual Science
    重组酶在细菌中广泛存在,这项研究聚焦于在某些大肠杆菌菌株中发现的一种重组酶。通过改造目标 RNA 和供体 RNA,研究人员成功地利用这种重组酶实现了对细菌 DNA 序列的插入、切除和倒置。
Crispr 于 1987 年被发现,并在 2012 年时被报道为基因编辑工具。带有 Cas9 蛋白的 Crispr 类似于分子剪刀,可以识别并切割单个目标位点。Crispr 切割 DNA 后需要依靠宿主细胞的修复机制来修复切片基因组,而这可能导致长片段缺失或意外重排。
Adamson 表示 Crispr 的一大缺点是无法控制修复,也就是在长 DNA 序列编辑方面存在着安全性和有效性的问题“这意味着我们可能必须筛选许多额外的细胞才能找到具有预期结果的细胞”,他指出,“对于遗传疾病的患者而言,这种风险会带来巨大的安全隐患。
作为对比,这一新发现的 RNA 桥接机制只需一步即可完成 DNA 编辑。另一个优点是重组酶蛋白比 Crispr 系统的许多 Cas 酶都要小,因此更容易将编辑机制装入病毒中,然后将其递送至人体细胞内。

这种可编程机制使我们能够指定想要组合的任意两个 DNA 序列,从而为基因组操控带来了前所未有的可控性

–– Patrick Hsu
加州大学伯克利分校

第二篇论文中是这一团队与 🇯🇵 东京大学结构生物学家 Hiroshi Nishimasu 团队之间的合作成果 [2]他们揭示了重组酶在低温电子显微镜下的结构,该重组酶在重组的不同阶段与桥接 DNA、靶标 DNA 和供体 DNA 结合。 

  • Source: © Visual Science
    该重组酶(浅蓝色)可以将 DNA 直接缝合到目标基因组中,从而解决了 Crispr 基因编辑技术将 DNA 修复留给宿主细胞的问题。
另外,来自 🇦🇺 悉尼的另一个团队还报道了重组酶的结构以及一类相关分子,它们也具有高度选择性和可编程性,被称之 SeekRNA。
到目前为止这种新的桥接 DNA 机制仅在细菌中得到证实。下一项挑战是将其应用于哺乳动物细胞。“如果成功,那么非常精确、大规模地改变哺乳动物细胞就有可能成为可能”,Adamson 说到。
“这是朝着更广阔的基因组设计愿景迈出的重要一步,有朝一日,我们不仅能改变单个或数百个碱基,还能改变数千、数万、数十万、数百万个碱基”,Hsu 解释说。

References

  1. MG Durrant et al, Nature, 2024, 630, 984, (DOI: 10.1038/s41586-024-07552-4)

  2. M Hiraizumi et al, Nature, 2024, 630, (DOI: 10.1038/s41586-024-07570-2)

  3. R Siddiquee et al, Nat. Commun., 2024, 15, 5235, (DOI: 10.10 38/s41467-024-49474-9)

  

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