张锋实验室出“牛人”:CRISPR革命性突破,实现同时编辑数十个基因
2019/08/20
瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员对CRISPR-Cas方法进行了改进,首次实现同时编辑细胞中数十个甚至数百个基因。

CRISPR从最初的细菌体内“免疫机制”已经被人类广泛应用在基因编辑领域,它是纠正基因突变、解决器官异种移植关键难题、治疗疑难杂症等领域的“宠儿”,在科研领域更是无人不知、无人不晓。但一向被称为“魔剪”的CRISPR技术也存在剪切瓶颈。目前在大多数情况下,CRISPR-Cas工具一次只能编辑一个基因,少数情况能同时修改2-3个甚至更多的基因,但是大规模的编辑几乎是“梦里看花”。

近日,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)的研究团队突破瓶颈,带来CRISPR-Cas技术革命性突破——实现同时对细胞内基因的25个靶点进行编辑,甚至理论上能进一步增加到数百个基因。相关研究结果发表在《Nature Methods》杂志上。


https://doi.org/10.1038/s41592-019-0508-6

该研究领导者Randall Platt教授说:“感谢这个新工具,让我们和其他科学家实现过去梦寐以求的目标。”值得关注的是,Platt教授曾经是“CRISPR先驱”张锋实验室的博士后研究员,2016年底开始组建自己的实验室。当真是“青出于蓝而胜于蓝”啊。


左:Randall Platt 右:张锋

真•魔剪

通常CRISPR-Cas技术需要一种称为Cas的酶和一个小RNA分子。小RNA分子的碱基序列就像一个“地址标签”,将酶精确地指向染色体上的指定作用位点,因此称为“向导RNA”,而使用的酶也几乎是Cas9酶。但是之前也讲了,Cas9酶一次只能编辑一个基因。于是研究人员改用了鲜为人知的Cas12a酶。“Cas12a不仅可以编辑基因,还可以把长长的‘RNA地址列表’同时切成一个个‘地址标签’。此外,Cas12a可以处理比Cas9更短的RNA地址分子。这些寻址序列越短,它们就越适合质粒。”Platt解释说。

研究团队利用Cas12a酶建立了一个特别的质粒,把Cas酶的编码蓝图和多个RNA地址分子按顺序依次保存在这个环状DNA分子中。换言之,这个质粒里面容纳的不是一个地址而是一个地址列表,那么之后它就会有更多个“地址标签”,由此可以实现多靶点同时切割。


基因调控网络中,每一个点代表一个基因,线条是基因之间的相互作用 图片来源:ETH Zurich/Carlo Cosimo Campa

随后,研究人员把这个特别的质粒转入到人体细胞中进行结果测试。实验结果不负众望:细胞内有25个靶点同时被修饰、调节! Platt教授对此结果表示,理论上该数字能进一步提高,甚至增加到数百个基因。

重大意义

细胞中的基因和蛋白质以许多不同的方式相互作用。由此产生的包含许多基因的网络确保了生物体的细胞多样性。例如,它们负责将祖细胞分化为神经元细胞和免疫细胞。“我们的方法使我们第一次能够在一个步骤中系统地修改整个基因网络,”Platt教授说。

此外,它还为复杂的大规模细胞编程铺平了道路——可以用来增加某些基因的活性,同时降低其他基因的活性。这种活动变化的时间也可以精确控制。

该项突破对基础研究也意义深远。比如说,为什么各种类型的细胞表现不同,此外它还适用于研究复杂的遗传疾病以及细胞替代疗法的有效性。

参考资料:

[1] Revolutionising the CRISPR method

[2] Multiplexed genome engineering by Cas12a and CRISPR arrays encoded on single transcripts

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