新型CRISPR要火!国际顶级杂志接连发文,小小“跳跃基因”有大作用
2019/06/15
《Science》和《Nature》先后发文介绍新型CRISPR,这到底是什么神操作?

近日, 《Science》和《Nature》接连发文介绍了两种新型CRISPR。与经典CRISPR技术不同的是,这两款升级版的CRISPR系统都不约而同的选择了“跳跃基因”。其中一项研究更是“CRISPR之父”张锋教授的最新“力作”。


DOI: 10.1126/science.aax9181


近几年,人们对“魔剪”CRISPR编辑技术寄予了厚望。经典的CRISPR/Cas是原核生物的一种免疫防御系统,用来抵抗外来遗传物质的入侵。同时,它为细菌提供了获得性免疫(类似于哺乳动物的二次免疫),当细菌遭受病毒入侵时,会产生相应的“记忆”。当病毒二次入侵时,CRISPR系统便可以识别出外源DNA,并将它们切断,沉默外源基因的表达,抵抗病毒的干扰。

不能承受的经典CRISPR-Cas之轻

的确,CRISPR在药物筛选、基因改造、疾病治疗等方面都有着不可估量的前景。不幸的是,尽管科学家们围绕该技术进行了大量研究,但它仍然不适合用于人类患者。

这主要是因为在操作CRISPR时容易出错。当剪断DNA链时,CRISPR在切断DNA的时候可能会发生“意外”脱靶, 造成不可预测的后果,甚至还可能会诱发癌症。

“跳跃基因”是个啥?

如今,研究人员已经找到了一种方法,将CRISPR与另一种蛋白质结合使用,编辑DNA链而不切割它,在这一过程中“跳跃基因”是关键。


插入DNA机制示意图 图片来源:Science

所谓“跳跃基因”也称为转座子。它是指能够进行自我复制,并能在生物染色体间移动的基因物质。它们具有扰乱被介入基因组成结构的潜力,并被认为是导致生物基因发生变异(有时候是突变),并最终促使生物进化的根本原因。

由于未知原因,它们能够自发地在基因组中重新定位,因此被称为“跳跃基因”。

张锋团队再放大招

张锋教授团队再一次在《Science》杂志上发表了他们的最新研究。张锋教授联合麻省理工学院、哈佛大学以及美国国立卫生研究院的科学家们带来“升级版”的 CRISPR,他们利用“跳跃基因”,让DNA片段插入特定的基因组中。这种新的CRISPR技术在大肠杆菌实验中的成功率远高于经典CRISPR系统。


张锋 图片来源:科学网

研究人员将Tn7转座子与CRISPR的Cas12酶配合使用。 与Cas12通常所做的DNA切割不同,当Tn7在CRISPR 的引导下, 会将分子“剪刀”套住, 在不切割DNA 的情况下将自身插入目标基因组中。与经典CRISPR基因插入成功率1%相比,跳跃基因系统的成功率约为80%。

更为重要的是,在基于经典CRISPR方法的基因治疗中,基因组在切割过程中可能发生“双链DNA断裂”。这种现象是“灾难性”的,甚至会导致癌症的发生。

如此看来,升级版的CRISPR技术能够避免 “双链DNA断裂”,更具安全优势。

“危险生物”的巧妙利用

继《Science》发文后两天,《Nature》杂志上介绍了另一款与张锋团队有着异曲同工之妙的新型CRISPR。哥伦比亚大学的Sam Sternberg教授利用利用霍乱弧菌(Vibrio cholera)体内的“跳跃基因”整合到细菌基因组的不同位点中, 并将这一新的技术称为“INTEGRATE”。


霍乱弧菌是引起人类霍乱的主要原因,乍听起来十分危险, 但研究人员希望突破经典CRISPR的局限,不依赖细胞本身的基因编辑元件,因此选中于霍乱弧菌Tn7转座因子。

Sternberg教授解释道:“目前的基因编辑工具依赖于切割DNA, 就像分子剪刀一样切割DNA,但实际上编辑是由细胞自身的DNA修复机制完成的。而我们的CRISPR技术更像是分子胶。”


Sam Sternberg教授

与张峰团队的CRISPR系统相比,Samuel H. Sternberg团队的亮点在于插入系统可以正反方向随机插入,但这也降低了用于疾病治疗时的精确性。

升级版CRISPR为基因编辑带来希望

张峰团队的科学研究者们将会在更复杂的生物模型中检测升级版的CRISPR。同时,Sternberg也表示,现在他们正在测试其他细胞类型,包括哺乳动物细胞。他们有充分的理由相信精确的DNA整合将在哺乳动物细胞中像在大肠杆菌中一样有效,为基础研究用途和最终的临床应用打开了大门。

但是需要特别提醒的是,目前这两项研究都还尚未实现在哺乳动物细胞内进行DNA的定向插入,虽然目前新型CRISPR技术弥补了不少缺陷,但是离真正的临床应用仍然有很大的距离。

参考资料:

[1] ‘Jumping genes’ could help CRISPR replace disease-causing DNA, study finds

[2] CRISPR-associated transposons able to insert custom genes into DNA without cutting it

[3] 张锋团队最新Science:CRISPR升级!利用“跳跃基因”精确插入DNA片段

[4] 跳跃基因:物种跨越,人类进化的新型遗传方式?

[5] New gene editor harnesses jumping genes for precise DNA integration


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