基因工程2.0:基因编辑的开关

基因编辑的开关

一种新的CRISPR方法允许研究人员在不改变潜在的DNA序列的情况下沉默大多数基因 - 然后逆转变化。信用:Jennifer Cook-Chrysos / Whitehead Institute

新的可逆CRISPR方法可以控制基因表达,同时留下底层DNA序列不变。

在过去的十年里,CRISPR-Cas9基因编辑系统彻底改变了基因工程,使科学家能够对生物体的DNA进行有针对性的改变。尽管该系统可能在治疗多种疾病方面有用,但CRISPR-Cas9编辑涉及到切断DNA链,导致细胞遗传物质的永久改变。

现在,在在线发布的文件中细胞4月9日,研究人员描述了一种称为CrisProff的新基因编辑技术,使研究人员能够控制具有高特异性的基因表达,同时将DNA的序列保持不变。由白头研究所成员乔纳森·威斯曼(Chantornia大学)设计旧金山助理教授Luke Gilbert,Weissman Lab Postdoc JamesNuñez和合作者,该方法足够稳定,通过数百个细胞部门继承,并且也完全可逆。

“这里的大故事是我们现在有一个简单的工具,可以沉默绝大多数基因,”Weissman说,他也是生物学教授yabo124麻省理工学院和霍华德休斯医学院的调查员。“我们可以同时为多种基因进行这种情况,没有任何DNA损伤,具有很大的同质性,并且以可以逆转的方式。这是控制基因表达的一个很好的工具。“

该项目部分资金来自2017年美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)的一笔拨款,目的是创建一个可逆基因编辑器。资深合著者吉尔伯特说:“(从最初的拨款开始)快进四年,CRISPRoff终于按照科幻小说的设想工作了。”“看到它在实践中如此有效,真是令人兴奋。”

基因工程2.0

经典的CRISPR-Cas9系统使用一种细菌免疫系统中发现的名为Cas9的dna切割蛋白。该系统可以针对人类细胞中的特定基因使用一个单一的向导RNA.在那里,Cas9蛋白在DNA链上产生微小的断裂。然后细胞现有的修复机制就会修补这些漏洞。

因为这些方法改变了底层DNA序列,所以它们是永久性的。此外,他们对“内部”蜂窝修复机制的依赖意味着很难将结果限制为单个所需的变化。“像CRISPR-CAS9一样美丽,它脱离了自然细胞过程的修复,这是复杂和多方面的,”Weissman说。“控制结果很难。”

在这里,研究人员看到了一种不同类型的基因编辑器的机会——一种不改变DNA序列本身,但改变它们在细胞内被读取的方式。

这种修饰被科学家称为“表观遗传”——基因可能因DNA链的化学变化而沉默或激活。细胞的表观遗传学问题导致了许多人类疾病,如脆性X染色体综合症和各种癌症,而且可以代代相传。

表观遗传基因沉默常常是通过甲基化——添加化学标记DNA链的某些地方——这导致DNA成为访问RNA聚合酶,这种酶的DNA序列的遗传信息读入信使RNA转录,从而最终成为蛋白质的蓝图。

Weissman和他的合作者之前已经创建了另外两个表观遗传编辑器,分别叫做CRISPRi和CRISPRa,但是这两个编辑器都有一个警告。为了让它们在细胞中起作用,细胞必须不断地表达人工蛋白来维持这些变化。

“通过这种新的Crisproff技术,您可以[表达蛋白质]写入一个节目,这些程序被细胞无限期地进行,”Gilbert说。“It changes the game so now you’re basically writing a change that is passed down through cell divisions — in some ways we can learn to create a version 2.0 of CRISPR-Cas9 that is safer and just as effective, and can do all these other things as well.”

构建开关

为了构建一个可以模仿自然DNA甲基化的表观遗传编辑器,研究人员创造了一个微小的蛋白质机器,在小rna的引导下,可以将甲基群附着在链上的特定点上。这些甲基化基因随后被“沉默”,或被关闭,因此得名CRISPRoff。

因为该方法不改变DNA链的序列,因此研究人员可以使用除去甲基的酶来逆转沉默效果,其称为Crrron的方法。

随着他们在不同条件下测试克雷夫夫,研究人员发现了新系统的一些有趣功能。对于一件事,他们可以将方法靶向人类基因组中绝大多数基因 - 它不仅适用于基因本身,还适用于控制基因表达但不为蛋白质代码的DNA的其他区域。“即使对我们来说,这是一个巨大的震惊,因为我们认为它只是适用于基因的子集,”第一作者Nuñez说。

此外,令人惊讶地对研究人员来说,Crisproff甚至能够沉默基因,这些基因没有称为CpG岛的大型甲基化区域,其先前已被认为是任何DNA甲基化机制。

“在这项工作之前,人们认为30%没有CpG岛的基因不受DNA甲基化的控制,”吉尔伯特说。“但我们的工作清楚地表明,你不需要一个CpG岛来通过甲基化关闭基因。这对我来说是一个很大的惊喜。”

研究和治疗

为了研究实际应用的脆弱潜力,科学家在诱导多能干细胞中测试了该方法。这些细胞可以根据它们暴露于它们的分子的鸡尾酒,因此可以在身体中变成无数细胞类型,因此是研究特定细胞类型的开发和功能的强大模型。

研究人员选择了一种使干细胞沉默的基因,然后诱导它们转化为一种叫做神经元的神经细胞。当他们在神经元中寻找相同的基因时,他们发现90%的细胞都保持沉默,这表明即使细胞改变了细胞类型,细胞仍然保留着CRISPRoff系统所做的表观遗传修饰的记忆。

他们还选择了一个基因作为CRISPRoff如何应用于治疗的例子:编码Tau蛋白的基因阿尔茨海默氏症疾病。在测试神经元中的方法后,他们能够表明使用CrisProff可以用来转动Tau表达,虽然并不完全关闭。“我们所表明的是,这是一个可行的沉默策略,并阻止蛋白质表达,”韦斯曼说。“那时这个问题是,你如何将其交付给成年人?它会影响阿尔茨海默氏症吗?那些是大开放问题,尤其是后者。“

即使CRISPRoff没有带来阿尔茨海默氏症的治疗方法,它也有可能应用于许多其他疾病。尽管CRISPRoff等基因编辑技术对特定组织的传递仍是一个挑战,但韦斯曼说:“我们证明,你可以将其作为DNA或RNA瞬时传递,这种技术也是现代RNA和生物技术冠状病毒疫苗的基础。”

韦斯曼、吉尔伯特和他的合作者们也对CRISPRoff的研究潜力充满了热情。“因为我们现在可以让任何我们想要的基因组沉默,这是一个探索基因组功能的伟大工具,”韦斯曼说。

此外,具有可靠的系统来改变细胞的外观生物学可以帮助研究人员学习通过细胞分部通过外膜遗传修饰的机制。“我认为我们的工具真的让我们开始研究遗传性的机制,特别是表观遗传性,这是生物医学科学中的一个巨大问题,”努ñez说。

参考:“基于CRISPR的外观表群编辑的基因组可编程转录记忆”由JamesK.Nuñez,金陈,Greg C. Pommier,J. Zachery Cogan,Joseph M. Replogle,Carmen Adriaens,Gokul N.Ramadoss,Quanming Shi, King L. Hung, Avi J. Samelson, Angela N. Pogson, James Y.S. Kim, Amanda Chung, Manuel D. Leonetti, Howard Y. Chang, Martin Kampmann, Bradley E. Bernstein, Volker Hovestadt, Luke A. Gilbert and Jonathan S. Weissman, 9 April 2021,细胞
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.03.025

2的评论“基因工程2.0:基因编辑的开关开关”

  1. 罗伯特托马斯|2021年4月10日下午12:14|回复

    这可能有助于治疗像我这样的由基因过表达引起的CMT1A疾病。

  2. Babu G. Ranganathan.|4月11日,2021年上午6:46|回复

    Babu G. Ranganathan *
    (圣经文学士学位/生物学yabo124)

    DNA如何将细胞变成绵羊,或鸟类或人类?

    当你划分蛋糕时,蛋糕永远不会变得更大。但是,当我们只是一个细胞,并且那个细胞一直划分我们变大。新材料必须来自某个地方。新材料来自食物。

    Just as the sequence of various letters and words in human language communicate a message and direct workers to build and assemble something so, too, the sequence of various molecules in our DNA (our genes or genetic code) directed the molecules from our mother’s food, that we received in the womb, to become new cells, eventually forming all the tissues and organs of our body.

    当您喂养猫的食物时,猫的DNA将指导食物分子成为猫的细胞,组织和器官,但您的DNA将使与人体细胞,组织和器官相同的食物。

    我们称之为“基因”的实际情况是DNA分子的细分。当您了解您的DNA如何工作时,您也会了解鸡蛋蛋黄可以变成鸡。阅读我流行的互联网文章:我的DNA是如何让我的?只是谷歌访问文章的标题。

    这篇文章将让你很好地理解DNA,以及克隆和基因工程。你还会知道所谓的“垃圾DNA”根本不是垃圾。你将了解为什么相信DNA密码可能是偶然产生的是不理性的。科学指出(不是证明,而是指出)DNA密码的智能原因。

    那么物种之间的基因和生物学相似性呢?基因信息,就像其他形式的信息一样,不会偶然发生,所以相信所有生命形式之间的基因和生物学相似性是由于一个共同的设计者为类似的目的设计了类似的功能更符合逻辑。这并不意味着所有形式的生命都有生物学上的联系!只有自然物种的基因相似性才能证明它们之间的关系,因为只有在自然物种内部成员才能交配繁殖。

    自然无法从头开始构建DNA代码。它需要已经现有的DNA代码直接,并使用智能设计和高度复杂的技术在实验室中提供更多的DNA代码或遗传工程师,以使DNA代码从头开始。此外,RNA / DNA和蛋白质相互依赖(一个不能没有其他两个的存在),并且不能“存活”或在完整和活细胞之外的功能。DNA代码归功于第一个遗传工程师 - 上帝!

    蛋白质分子需要各种氨基酸以精确的顺序聚集在一起,就像句子中的字母一样。如果它们的序列不对,蛋白质就无法发挥作用。DNA和RNA需要各种不同的核酸在正确的序列。

    此外,有左手和右手氨基酸,有左手和右手核酸。蛋白质分子需要所有氨基酸仅左右和右序列。DNA和RNA需要所有核酸都是右撇子和正确的序列。DNA,RNA和蛋白质将含有奇迹,偶然出现!

    数学家表示,宇宙中的任何事件都有10到50个力量或更大的可能性是不可能的!偶然是平均大小蛋白质分子(其右序列中的氨基酸)的可能性是10至第65个功率。即使是最简单的细胞也由数百万各种蛋白质分子以及DNA / RNA组成。

    弗雷德里克霍伊尔爵士的伟大英国科学家爵士计算出即使是最简单的细胞也是偶然的最简单的电池的可能性是10到40,000个权力!这是多大的?考虑到我们宇宙中的原子总数为82个电源。

    而且,所谓的“垃圾DNA”并不是垃圾。虽然这些“非编码”的DNA片段不为蛋白质编码,但它们最近被发现在调节基因表达方面至关重要(比如,基因何时、何地以及如何表达,所以它们不是“垃圾”)。此外,有证据表明,在某些情况下,它们可以通过细胞使用复杂的“读通”机制来编码蛋白质。

    访问我最新的互联网网站:科学支持创作(这个网站回答了许多旧和新的参数,这已经被进化论家支持他们的理论)

    互联网上流行文章的作者,传统的地狱学说从希腊起源

    *我已经成功地讲座(之后有问题和答案期)捍卫了进化论科学教师和各高校学生的创造。我一直很有幸在第24届Marquis“谁在东方。”

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