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加入这两个小分子,人多能干细胞精准基因编辑效率显著提升

2018/04/04 来源:BioArt
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导读
人多能干细胞,包括胚胎干细胞和诱导型多能干细胞,可以分化出人体所有类型的细胞,比如神经细胞、心肌细胞、肝脏细胞和胰岛细胞,在疾病模型、药物筛选和再生医学中,具有广泛的应用前景。但是,对人多能干细胞进行精准基因编辑却耗时耗力,十分具有挑战性。


doi:10.1038/s41467-018-03760-5

本文转载自“BioArt”,责编:迦 溆。

小分子药物具有处理方便和非整合等优点,可用于提高基因编辑的效率和准确性【1】;然而由于在人多能干细胞上进行精准基因编辑的效率极低,直接利用人多能干细胞进行高通量小分子筛选非常困难。

2015年,美国Gladstone研究所和加州大学旧金山分校(UCSF)丁胜课题组与斯坦福大学Lei S. Qi课题组合作在Cell Stem Cell杂志上发表论文称:小分子L755507(一种有效的、选择性的β3肾上腺素能受体部分激动剂)与Brefeldin A(一种常用的蛋白转运抑制剂,可以特异性地可逆地阻断蛋白质从内质网转运到高尔基体)能够促进基于CRISPR-Cas9的基因编辑效率【2】;不久后,NBT背靠背发表的两篇文章报道DNA连接酶IV的抑制剂SCR7也能够促进CRISPR-Cas9基因编辑的效率【3,4】。

CRISPR-Cpf1是最新发现的一种基因编辑工具酶,所需crRNA长度短,脱靶率低【5】,因此基于CRISPR-Cpf1系统的、在人多能干细胞上进行的精准基因编辑具有十分广阔的前景。不过,由于CRISPR-Cpf1和CRISPR-CAS9性质不同,因此专门针对CRISPR-Cpf1系统的、用于提高精准基因编辑效率的小分子筛选具有重要意义。

4月3日,浙江大学生命科学研究院祝赛勇实验室在Nature Communicaitons 杂志上在线发表题为Small molecules promote CRISPR-Cpf1-mediated genome editing in human pluripotent stem cells 的研究论文,筛选到了两个小分子VE-822和AZD-7762,二者能够显著提高人多能干细胞精准基因编辑效率,建立对人多能干细胞进行更高效和精准的基因编辑技术体系,今后可以更好地应用于基础生物学研究、疾病模型构建、药物筛选和临床转化等方面,具有重要的意义。

在最新的这项研究中,研究人员对CRISPR-Cpf1在人多能干细胞上进行基因敲除和基因敲入进行了系统性研究。为了在人多能干细胞中建立高通量小分子筛选的系统,研究人员首先构建了一个包含U6启动子驱动crRNA表达的盒(cassette),用于CRISPR-Cpf1介导的基因编辑。人多能干细胞上进行的高通量筛选体系建好之后,在600余种小分子化合物中发现了能够显著地提高人多能干细胞精准基因编辑效率的小分子药物VE-822(ATR,ataxia-telangiectasia mutated- and Rad3-related,是DNA损伤检查点的关键激酶蛋白)和AZD-7762(一种有效的ATP竞争性的细胞周期检测点激酶Chk的抑制剂)。


有意思的是,这两个小分子药物在点突变干细胞株系构建和多重位点基因编辑等方面,也具有显著的促进作用。因此,CRISPR-Cpf1基因编辑系统与小分子药物的组合,可以实现对人多能干细胞进行更加简单、高效和精准的基因编辑,从而更好地应用于基础生物学研究、疾病模型构建、药物筛选和临床转化。

祝赛勇实验室2015级博士研究生马晓洁为论文的第一作者,祝赛勇研究员为论文的通讯作者。

参考文献:

1、Hu, J. H., Davis, K. M. & Liu, D. R. Chemical biology approaches to genome editing: understanding, controlling, and delivering programmable nucleases. Cell Chem. Biol. 23, 57–73 (2016).

2、Yu, C. et al. Small molecules enhance CRISPR genome editing in pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 16, 142–147 (2015).

3、 Chu, V. T. et al. Increasing the efficiency of homology-directed repair for CRISPR-Cas9-induced precise gene editing in mammalian cells. Nat. Biotechnol. 33, 543–548 (2015).

4、 Maruyama, T. et al. Increasing the efficiency of precise genome editing with CRISPR-Cas9 by inhibition of nonhomologous end joining. Nat. Biotechnol. 33, 538–542 (2015).

5、Zetsche, B. et al. Cpf1 is a single RNA-guided endonuclease of a class 2 CRISPR-Cas system. Cell 163, 759–771 (2015).

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