哥倫比亞科學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的工具上進行改進。該團隊在霍亂弧菌細菌中發(fā)現(xiàn)了一個獨特的“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》雜志上的這項新研究中，研究人員利用了一項獲得諾貝爾獎的技術，即冷凍電子顯微鏡技術來凍結基因編輯復合體的作用，從而揭示有關其工作原理的高分辨率細節(jié)。

哥倫比亞大學瓦格洛斯醫(yī)師與外科醫(yī)生學院生物化學與分子生物物理學助理教授薩姆·斯特恩伯格博士說：“我們在第一項研究中展示了如何利用整合來在細菌細胞中靶向DNA插入。” 哥倫比亞哥倫比亞大學生物化學與分子生物物理學助理教授以色列·費爾南德斯(Israel Fernandez)博士。“這些新圖像與以色列費爾南德斯實驗室的精彩合作，以令人難以置信的分子細節(jié)解釋了生物學，并將通過指導蛋白質工程工作來幫助我們改善系統(tǒng)。”

開始像CRISPR，但結局不同

研究人員使用了一種稱為冷凍電子顯微鏡的技術，該技術涉及在液氮中快速冷凍基因編輯復合物的樣品，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。

結構模型表明，該復合物由兩個主要部分組成，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RNA，RNA用來掃描細胞以尋找DNA中的匹配序列。一旦它定位并結合了靶序列，它將使DNA鏈穿過位于復合物末端的TniQ“轉座”蛋白，并募集其他有助于修飾DNA的酶。

INTEGRATE的掃描機制似乎以與其他經(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RNA的Cascade復合體。但是，與其他使用Cascade靶向DNA進行切割的CRISPR系統(tǒng)不同，INTEGRATE中Cascade的功能是靶向DNA以便基因負載的高精度插入。

“以這種規(guī)?？梢暬飳W確實令人驚奇，甚至可以使那些不熟悉該主題的人都容易激動。這項工作的質量和完成的速度，象征著山姆和以色列等偉大導師提供的合作環(huán)境， ”博士Tyler Halpin-Healy說 哥倫比亞大學歐文醫(yī)學中心細胞，分子和生物物理研究研究生課程的學生，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和生物化學來提出CRISPR機制如何在功能上與轉座機制-負責基因“跳躍”的分子-聯(lián)系起來，這項研究證明了他們的假設是正確的。

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快速廉價地對細胞基因組進行精確修飾。但是，CRISPR的大多數(shù)用途涉及切割目標DNA的兩條鏈，然后必須通過宿主細胞自身的機制修復DNA斷裂?？刂圃撔迯瓦^程仍然是該領域中的主要挑戰(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通常效果不佳。提高基因編輯的準確性是研究人員的當務之急，對于確保使用此技術開發(fā)的療法的安全性至關重要。

由Sternberg實驗室開發(fā)的新型INTEGRATE系統(tǒng)可以準確地插入大的DNA序列，而無需依靠細胞的機械來修復鏈。結果，與廣泛使用的原始CRISPR-Cas系統(tǒng)相比，INTEGRATE被證明是進行某些基因修飾的更準確和有效的方法。該新工具還可以幫助科學家在DNA修復活性有限的細胞類型中進行基因編輯，例如神經(jīng)元，而使用CRISPR的嘗試相對而言不太成功。

下一步是什么

除了通知未來的工程工作外，這些結構還強調了可能的校對檢查點?，F(xiàn)有的CRISPR技術通常會遭受所謂的“脫靶效應”，即意外修飾序列。新的結構揭示了Cascade和TniQ如何協(xié)同工作，以確保僅標記正確的“目標”序列以進行DNA插入。研究人員計劃在開發(fā)用于疾病的新治療方法的工具時進一步探索該檢查點。

該論文的標題為“轉座子編碼的CRISPR-Cas系統(tǒng)靶向DNA的結構基礎”，于12月18日在線發(fā)表在《自然》雜志上。