研究人员开创了编辑人类细胞基因的新方法

在过去十年中，CRISPR 基因组编辑系统彻底改变了分子生物学，使科学家能够改变活细胞内的基因以进行研究或医疗应用。现在，格莱斯顿研究所的研究人员已经微调了一个额外的系统，可以使用称为逆转录酶的分子进行更有效的基因编辑。

该小组在《自然化学生物学》杂志上报道的Retrons可以针对效率进行优化，并用于编辑从真菌到人类细胞的各种细胞类型中的基因。

“这项工作确实巩固了retrons作为一个可以跨生物使用的平台，”新研究的资深作者、 Gladstone 助理研究员Seth Shipman博士说。“与目前的方法相比，我们可以更容易、更快速、更有效地对基因进行精确修改。”

基因编辑一站式服务

目前大多数基于 CRISPR 系统的基因编辑技术都涉及从细胞基因组中切割一段 DNA，然后引入称为“模板 DNA”的新遗传物质来替代它。当细胞修复现有基因被切割的地方时，模板DNA被整合。

该模板 DNA 通常在实验室中产生，然后从外部引入细胞。切割细胞基因组的蛋白质——称为 Cas9——是单独递送的。Cas9 和模板 DNA 都不能穿透每个细胞，这限制了 CRISPR 基因编辑的效率。

然而，Retrons 就像 DNA 工厂一样，从细胞内部产生大量模板 DNA 拷贝。此外，retrons 可以与其他 CRISPR 组件一起传递，以便细胞同时获得基因编辑所需的所有材料——模板 DNA、Cas9 的遗传密码和帮助研究人员跟踪已进行的编辑的分子。

“这意味着我们只需要向每个细胞引入一个元素，” Shipman 实验室的研究生、新论文的第一作者Santiago Lopez说。“这显着简化了过程，并为新型实验打开了大门。”

重新设计复古

Retrons 和 CRISPR 都源自细菌。两者都是细菌用来改变 DNA 以应对感染的防御机制。在 CRISPR 基因组编辑出现之后，其中 CRISPR 系统被用于选择性地靶向其他细胞类型中的基因，一些研究人员开始探索是否可以使用逆转录酶来提供精确基因编辑的模板。然而，retron 结构的不同部分在其功能中的作用——以及如何调整这些部分以改进retrons——一直是未知的。

“retron 系统的进化有助于保护细菌，”同时也是加州大学旧金山分校 (UCSF) 生物工程和治疗科学助理教授的希普曼说。“但我们想把它从通常的做法改变为我们想要它做的事情——为基因编辑制作模板。”

在这项新研究中，Shipman 的小组对大肠杆菌逆转录酶进行了改造，以产生数百种新变体。他们测试了每个新变体并发现了一系列变化，这些变化共同导致大肠杆菌细胞中的逆转录酶最终产生的模板 DNA 数量增加了 8 到 10 倍。

接下来，研究人员在真菌酿酒酵母(贝克酵母)和培养的人类细胞中测试了新的重新设计的retron系统，他们发现这种优化的系统在所有情况下都有效。这是第一次证明retrons在人类细胞中的用途及其跨细胞类型的可移植性。

由于该团队现在可以精确调整逆转录酶产生多少模板 DNA，他们还能够证明，当逆转录酶产生高水平的模板 DNA 时，这会提高基因编辑效率。

“我们的研究首次证明，我们可以生产的模板 DNA 越多，基因组编辑的效果就越好，”Shipman 说。“更好、更精确的编辑最终意味着更有效、更安全的基因组药物和更先进的基础研究。”

从细菌中获取工具

希普曼说，Retrons 作为一种研究工具可立即用于在实验室中编辑不同细胞类型中的基因。虽然该平台尚未准备好用于人类，但它也具有帮助编辑基因以用于治疗目的的潜力——例如通过修复导致疾病的基因突变。

由于不同的细菌含有不同的反转录因子，他的团队还计划探索其他反转录因子变异是否比他们在本研究中优化的大肠杆菌反转录因子更有益处。

“我们正在采取一种通用方法，我们正在挖掘我们在细菌中发现的部分并将它们驯化以供我们自己使用，”希普曼说。“这对于开发新工具已经取得了令人难以置信的成果，但我认为我们才刚刚开始获得将这些工具应用于生物技术的好处。”

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