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新 「CRISPR」 工具誕生,開啟更多可編輯基因組


- 2018年10月27日19時53分
- 科學文摘 / DeepTech深科技

DeepTech深科技

基因組編輯系統 CRISPR,能夠通過短 RNA 序列的引導在基因組不同點位間移動,並用 Cas9(DNA 切割酶)對基因進行切割、編輯。自誕生之日起,CRISPR 技術就被寄予厚望,目前已經在醫學研究中扮演著極為重要的角色,並且日後可能會在農業、生物能源和糧食安全等領域引發重大影響。

儘管基因編輯工具已經取得了如此大的成功,CRISPR-Cas9 在基因組上可以訪問的位置數量仍然有限。這是因為在識別位點時,CRISPR 需要位於基因組目標位置兩側的特定序列,即鄰接基序(PAM)。

新 「CRISPR」 工具誕生,開啟更多可編輯基因組圖片


(來源:麻省理工科技評論)

例如,最常用的 Cas9 酶——釀膿鏈球菌 Cas9(SpCas9)就需要兩個 G 核苷酸作為其 PAM 序列,這極大限制了其靶向的點位數量,使其只能作用於基因組的 9.9% 左右。對 PAM 要求低就意味著其可作用的位點範圍更廣,但目前,此類對 PAM 要求低的 CRISPR 酶數量卻極少。

10 月 24 日,《科學進步(Science Advances)》發表了 MIT 媒體實驗室(MIT Media Lab)媒體藝術與科學教授、分子機器研究小組負責人 Joseph Jacobson 團隊的一項最新研究,研究人員發現了一種新的 Cas9 酶,可靶向基因組上近一半的位點,從而使得更多基因組可以實現編輯。

Jacobson 說,「CRISPR 就像一個非常準確高效的郵政系統,可以到達你想要去的任何地方,其非常準確具體,但可以去的位點也有限。」

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(來源:麻省理工科技評論)


為了開發更通用的 CRISPR 系統,研究人員使用計算算法對細菌序列進行了生物信息學檢索,從而確定是否存在對 PAM 要求更低的、類似的酶。為此,研究人員開發了一種數據分析軟體工具,他們將之稱為 SPAMALOT(通過目標對齊搜索 PAM,Search for PAMs by Alignment of Targets)。

這的確幫助研究人員找到了一些 「候選酶」 ,但並沒有一種能 「脫穎而出」 。因此,該團隊又在實驗室中創建了 CRISPR 的合成版本,並對其表現進行評估。

本研究共同第一作者、媒體實驗室的研究生 Pranam Chatterjee 表示,來自犬鏈球菌(ScCas9)的 Cas9 效果最好,而這種酶與目前廣泛使用的 Cas9 酶極為相似。「這種酶看起來與之前發現的酶幾乎一模一樣 但它能夠靶向現有酶不能作用的 DNA 序列。」Chatterjee 說。

不像原有酶需要兩個 G 核苷酸作為其 PAM 序列,新的酶只需要一個,這可以使其在基因組上識別更多點位。這也使得 CRISPS 可以靶向許多超出之前識別範圍的疾病特異性突變。

Jacobson 表示,一個常規基因的長度約為 1000 個鹼基,如果研究人員只是想敲除整個基因的話,那靶向點位有很多。但許多疾病,比如鐮狀細胞性貧血,是由單一鹼基的突變引起的,對其進行靶向就困難了。


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(來源:麻省理工科技評論)

「鹼基編輯不只是在 1000 個鹼基中找個地方把它敲掉,而是精確地找到想要改變的鹼基並且修正它。你需要能找到非常確切的位置,在它旁邊放上一段 CRISPR,然後使鹼基編輯器(另一種能附著 CRISPR 的蛋白質)進入並修正或改變該鹼基。」

而在此類應用中,新的 CRISPR 工具將大有作為。Chatterjee 說:「ScCas9 進入基因組編輯大家庭,並且還收到了有助於進一步研究的反饋,讓我們興奮不已。」

Jacobson 表示,現在研究人員希望能夠利用其開發的技術發現其他酶,從而在保障其準確性的同時,進一步擴大 CRISPR 系統的靶向範圍。「我們有信心標出基因組的每個坐標。」


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