光控基因组编辑:四维精准

2016-08-30 | 作者: Panda | 标签: 基因编辑 光敏性

基因农业网(Panda)编译:新的技术决定何时何处对靶标基因进行精准编辑。

利用著名的基因组编辑系统CRISPR,科学家可以对活细胞中的任意靶基因进行精准的删除或替换等操作。现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员为这一精确技术又增添了一份安全保障,通过让CRISPR系统变得对光敏感,从而精准地决定基因编辑在何时何处发生。

借助于新的系统,只有当研究人员用紫外线照射靶细胞时才发生基因编辑。这种控制方式有助于科学家们更深入地研究细胞学和遗传学重大事件发生的时机,尤其是那些影响胚胎发育或病情发展的事件。最终,它还能够提供一种靶向性更强的方法来关闭癌症细胞中的致癌基因。

该研究发表在《应用化学》(Angewandte Chemie)期刊上,巴提雅作为主要作者描述了这项新的技术。

“无论加上什么样的开关,最大的好处就是能够让激活过程实现时间和空间上的精准控制。”桑吉塔·巴提雅(Sangeeta Bhatia)说,她是MIT健康科学和电气工程及计算机科学系的“约翰-桃乐茜·威尔逊”教授,同时也是MIT科赫研究院的综合癌症研究会及药物工程与科学研究会成员。

光敏性

在去MIT工作之前,贾恩(Jain)开发了一种利用光来控制RNA干扰途径的方法。RNA干扰是一种基因表达调控机制,小分子的RNA链被输送到细胞中,暂时阻断某些特定基因的表达。

“他刚来这里的时候,CRISPR技术突然火了起来,他想到可以用同样的方式通过光来激活CRISPR,这项应用的前景令他很是兴奋。”巴提雅说。

CRISPR依赖于由一种名为Cas9的DNA切割酶和一小段RNA链组成的基因编辑复合体发挥作用,这段短链RNA指导Cas9定位到基因组中特定区域,并引导Cas9进行精准切割。当Cas9和这段指导RNA进入细胞后,基因组中就会发生特定位点的切割;细胞自身的DNA修复机制会自动修补切开的位点,但基因中被Cas9切割的一小段DNA就永久删除了,基因无法再行使正常功能。

在最初的努力中,研究人员改造了Cas9酶,使其只在曝露于特定波长光线时才启动切割过程。MIT的研究小组决定采用一种全新的思路,让指导RNA链的结合过程变成光敏性。

巴提雅说,如果未来有可能用于人体,这种方式可能更方便。因为将改造过的光敏性短链指导RNA注入细胞比让靶标细胞产生光敏性Cas9蛋白更容易。

“你无需对现有的载体做任何改变,只需要加上一点感光保护剂,”她说,“这种尝试会让CRISPR系统更加模块化。”

为使短链指导RNA变得对光线敏感,MIT研究小组创造了一种由DNA序列组成的“保护剂”,这些DNA序列的骨架中带有可被光切割的化学键,能够与不同序列的指导RNA结合形成复合体,从而阻止指导RNA与其在基因组上的靶标序列结合。

当研究人员用波长为365纳米的光线(属于紫外线范围的光)照射靶细胞时,作为保护剂的DNA链断裂成小片段,并从RNA链上脱落,被释放的RNA链因此在基因组上寻找其靶标序列并招募Cas9加入进行切割。

定位多个基因


该项研究中,研究人员展示了他们如何利用光来控制绿色荧光蛋白(GFP)基因的编辑,研究还包括另两种在细胞表面常见并在某些癌症细胞中过量表达的蛋白的编码基因。

这种在时间上对基因编辑进行的精准控制或许有助于研究者们对与疾病发生相关的关键细胞事件的发生时机进行研究,希望能够找出关闭基因表达进行疾病干涉的最佳时机。

“CRISPR-Cas9是一个强大的技术,科学家们能够借此对基因如何影响细胞行为进行研究,”詹姆斯·达尔曼(James Dahlman)说,“这项重要的研究进展将实现对遗传学操作的精准控制。可以预见,这项工作会给科学界带来一种非常有用的工具,推进许多基因编辑方面的研究。”达尔曼是乔治亚理工大学生物医药工程学助理教授,他并未参与该项研究。

巴提雅所在的实验室还努力将该项技术应用于医药领域。有一种可能是借助于这项技术来关闭皮肤癌形成过程中的那些癌基因,由于皮肤很容易接触到日光中的紫外线,皮肤癌或许是该技术可以发挥作用的最佳领域。

该研究小组还致力于寻找“通用型保护序列”,可用于任何指导RNA的序列,以避免为每一种指导RNA设计全新保护序列的麻烦,并且能够一次性尽可能多地抑制CRISPR-Cas9对靶序列的切割活性。

该项研究由路德维格分子肿瘤学中心、玛丽和皮埃尔·卡西米尔-兰伯特基金会(来自国家癌症研究所的科赫研究所支持津贴)以及马尔堡癌症纳米医学中心提供资助。

原文链接:news.mit.edu/2016/using-light-control-genome-editing-0825

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来源:基因农业网

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