超精密 CRISPR 基因编辑工具将解决棘手的遗传病

该系统使研究人员能够更多地控制DNA的变化,从而可能打开挑战基因编辑器的条件。

与流行的CRISPR-Cas9系统相比,一种名为prime编辑的新型基因编辑工具能够更精确地控制DNA编辑(如图所示)

尽管广受欢迎的CRISPR-Cas9基因编辑工具很容易改变基因组,但它仍然有些笨重,容易出错和发生意外。目前,最近开发的替代方案提供了对基因组编辑的更大控制 —— 对于基因疗法的开发来说,这一进展可能特别重要。

另一种方法,称为Prime editing,提高了研究人员最终只能得到他们想要的编辑的机会,而不是他们无法预测的混合变化。该工具在10月21日发表在《自然》杂志上的一项研究中描述1,还减少了”偏离目标”的影响,这是标准CRISPR-Cas9系统某些应用的主要挑战。这将使基于主要编辑的基因疗法更安全地用于人。

该工具似乎也能够进行更广泛的编辑,这或许有一天会允许它被用来治疗许多遗传疾病,这些疾病迄今阻碍了基因编辑。麻省理工学院和哈佛大学的化学生物学家、主要研究作者大卫·刘(David Liu)估计,Prime editing可能有助于研究人员处理美国国家卫生研究院开发的公共数据库ClinVar中列出的75000多种与疾病相关的DNA变异中的近90%。

刘说,这种最新工具能够进行的特殊性变化,也使研究人员更容易在实验室中开发疾病模型,或研究特定基因的功能。

新泽西州普林斯顿大学研究DNA修复和基因编辑的布列塔尼·亚当森说:”现在还处于初期阶段,但初步结果看起来棒极了。”你会看到很多人使用它。

伍斯特马萨诸塞大学医学院的分子生物学家埃里克·桑特海默说,主编辑可能无法使CRISPR-Cas9能够进行非常大的DNA插入或删除,因此它不太可能完全取代成熟的编辑工具。这是因为对于Prime editing​​​​​​​,研究人员想要做出的更改被编码在 RNA 链上。链条越长,细胞中的酶就越有可能损坏。

桑特海默说:”不同类型的编辑仍然需要不同口味的基因组编辑平台。

但Prime editing​​​​​​​似乎比其他CRISPR替代品开发至今更精确和多才多艺。其中包括CRISPR Case9的修改版本,使研究人员能够用一个DNA字母换另一个DNA字母,以及锌手指核糖酶等较旧的工具,这些工具很难根据每个所需的编辑量身定做。

通过控制自由

CRISPR-Cas9 和Prime editing​​​​​​​都通过在基因组的特定点切割 DNA 来工作。CRISPR-Cas9 打破了 DNA 双氦的两条链条,然后依靠细胞自己的修复系统修补损伤并进行编辑。但是这个修复系统不可靠,可以在基因组被切割的点插入或删除DNA字母。这可能导致不同单元格之间无法控制的编辑混合物。

此外,即使研究人员包括一个模板来指导基因组的编辑方式,大多数细胞中的DNA修复系统也更有可能使这些小的随机插入或删除,而不是在基因组中添加特定的DNA序列。这使得研究人员很难——在某些情况下,几乎不可能——使用CRISPR-Cas9来覆盖一段DNA,并按他们选择的顺序。

Prime editing​​​​​​​绕过了这些问题(参见”精确编辑器”)。虽然它也使用Cas9来识别特定的DNA序列 – 就像CRISPR-Cas9一样 – Cas9酶在Prime editing​​​​​​​工具被修改为只刻一个DNA链。然后,第二种酶称为反向转录酶,由一串RNA引导,在切口的部位进行编辑。

 

Prime editing不必打破两股DNA来做出改变,使研究人员摆脱依赖细胞的DNA修复系统,他们无法控制该系统来进行他们想要的编辑。这意味着,Prime editing​​​​​​​可以促进对现有基因编辑工具不容易解决的突变引起的遗传疾病的治疗。

多用途工具

此前,包括刘先生在内的研究人员认为,他们需要开发基因编辑工具,专门针对他们希望在基因组中做出的每一类变化:插入、删除或DNA字母替代。在进行精确替换时,选择是有限的。

一种古老的技术,称为基础编辑,其精度可与主要编辑相媲美,化学上将一个DNA字母直接转换成另一个CRISPR-Cas9无法做到的,例如将T转换为A或G到C,而不会破坏两个DNA链。2.由刘开发,基础编辑可用于纠正一些由单字母突变引起的遗传疾病,包括最常见的刀状细胞贫血。

但是基础编辑不能帮助治疗由多字母突变引起的遗传性疾病,如Tay-Sachs疾病,这是一种通常致命的疾病,通常由四个DNA字母插入HEXA基因引起。

因此,刘和他的同事着手创建一个精确的基因编辑工具,使研究人员能够灵活和控制地进行多种类型的编辑,而不必创建定制系统。2018年,该团队进行了主要编辑:酶的组合,包括经过修改的Cas9酶,可以改变单个DNA字母,删除字母,或将一系列字母插入基因组,对DNA链的损害最小。

“太棒了,”桑特海默说。”可以引入的突变的广度是最大的进步之一。这是巨大的。

但是,刘的团队和其他人现在需要仔细评估这个系统在各种细胞和生物体中的运作情况。”第一项研究仅仅是生命科学中一个长期愿望的开始,而不是结束,”刘说。

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