科学家发现 CRISPR-Cas 系统的潜在新功能

科学家发现CRISPR-Cas系统的潜在新功能研究小组最近在《自然-微生物学》（NatureMicrobiology）杂志上发表了他们的研究成果。亚历山大-普罗斯特博士图片来源：UDE/BettinaEngel-Albustin2020年，生物化学家埃马纽埃尔-夏彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）和詹妮弗-杜德娜（JenniferDoudna）因将CRISPR-Cas系统（或称"基因剪刀"）应用于基因工程的生物技术而获得诺贝尔奖。然而，这种基因工具的许多功能至今仍未被探索。例如，微生物能否利用它们来对抗寄生在它们身上的其他微生物？带着这个研究问题，亚历山大-普罗普斯特分析了地壳深处微生物的遗传物质。地球上70%以上的微生物都生活在深层生物圈中。如果我们想了解地球上的多样性，就值得深入研究，他解释道。这位微生物学家和他的团队一起分析了美国一个间歇泉从深海吐到地面的水，以及日本堀之部地下实验室的样本。研究小组重点研究了古细菌，它们作为宿主和寄生虫生活在生态系统中。这种微小的微生物在细胞大小上与细菌极为相似，但生理特性却大相径庭。他们的基因组分析结果提供了新的见解：宿主附近的寄生虫明显很少，而且宿主对寄生虫表现出遗传抗性。研究人员从微生物基因组中的基因剪刀中发现了其中的原因。"在进化过程中，古细菌吸收了寄生虫的DNA。如果带有相同DNA的寄生虫现在攻击生物体，外来遗传物质可能会被CRISPR系统识别并分解，"普罗普斯特解释道。这位微生物学家是分析环境样本中遗传物质的专家，他的实验室采用了最新的方法，如牛津纳米孔技术，该技术可以对遗传物质进行快速、全面的测序。为了排除他们只是遇到个别情况的可能性，研究人员将分析范围扩大到7000多个基因组，并观察到这种现象非常频繁。在未来的研究中，这一发现还将有助于区分有益的共生体和有害的寄生虫。如果存在CRISPR识别，那么该微生物就很有可能是寄生虫。这或许还将有助于今后更好地理解重要的新陈代谢过程，如生态系统中的碳流。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374597.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374597.htm

超越CRISPR 新基因编辑工具SeekRNA面世 精确切割靶点插入序列

超越CRISPR新基因编辑工具SeekRNA面世精确切割靶点插入序列IS1111和IS110家族。图片来源：《自然·通讯》网站CRISPR已广泛应用于多个领域。它降低了人类疾病检测成本，提高了检测速度，帮助科学家开发出嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）免疫疗法以治疗癌症。研究人员解释说，CRISPR的工作原理是让靶DNA的两条链断裂，然后借助其他蛋白或DNA修复机制插入新DNA序列，但这可能产生错误。SeekRNA则能在不使用任何其他蛋白的情况下，精确切割靶点并插入新DNA序列。这使其相对CRISPR来说更加精确可靠，减少了潜在错误。SeekRNA源于名为IS1111和IS110的天然插入序列家族，该家族成员在细菌和古菌（无核细胞）中广泛存在。大多数插入序列蛋白很少有或没有靶选择性，但这些家族的成员具有很高的靶特异性。利用这一特性，seekRNA能适应任何基因组序列，并以精确方式插入新DNA。目前，研究人员已经在细菌中成功测试了seekRNA的有效性。接下来，他们计划研究该技术能否适用于人类体内更为复杂的真核细胞。他们目前使用的SeekRNA包含由350个氨基酸组成的小蛋白和由70—100个核苷酸组成的RNA链。这种尺寸的系统可以方便地集成到纳米级生物递送载体（囊泡或脂质纳米颗粒）上，有效递送到目标细胞中。此外，其他科研团队也在对IS1111和IS110家族的基因编辑潜力开展类似研究。研究人员还计划通过直接实验室采样和应用较短的seekRNA，进一步探索该技术的潜力。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435923.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435923.htm

潜在的CRISPR替代性基因编辑工具在动物体内自然出现

潜在的CRISPR替代性基因编辑工具在动物体内自然出现CRISPR基因编辑系统最初是从细菌中分离出来的，细菌使用一种叫做Cas9的酶来剪掉病毒的一部分DNA，并将其储存起来，以帮助它们在未来抵御这种感染。2012年，科学家们取得了诺贝尔奖的发现，即这一过程可以被劫持来编辑活细胞中的DNA，此后被用来治疗疾病，种植更好的作物，以及调整细菌来做一些重要的事情。Fanzor蛋白（灰色、黄色、浅蓝色和粉红色）与ωRNA（紫色）、目标DNA（红色）和非目标DNA（蓝色）的模型图正如CRISPR迄今为止所取得的成功一样，科学家们想知道在我们的一些近亲中是否有其他类似的系统在发挥作用--毕竟在生命之树上，细菌离我们是最远的。而现在，麻省理工学院的研究人员已经发现了一组蛋白质，它们以同样的方式发挥作用，但区别在于可以在动物身上实现。这一突破始于该团队之前的工作，当时在细菌中发现了一类名为OMEGA的新的DNA切割酶。在该研究中，研究人员注意到OMEGAs和一组称为Fanzor的蛋白质之间的相似性。重要的是，Fanzor蛋白出现在真核生物中，真核生物是包括动物以及人类在内的生命领域。在新的研究中，该团队从真菌、藻类、变形虫和蛤蜊中分离出Fanzor，并调查了它们的生化作用，这些蛋白质被发现使用附近的被称为ωRNAs（ω-RNAs）的RNA片段来切割DNA。这标志着这种机制首次在真核生物中被发现。研究人员发现，Fanzor蛋白是在"跳跃基因"内编码的--那些可以比其他基因更自由地移动，这表明，它们最初是在非常遥远的过去从细菌中转移过来的。在接下来的测试中，科学家们调查了Fanzors作为基因编辑工具在人类细胞中的功能如何。它能够在基因组中可编程的地方插入和删除基因，效率约为18%，这比CRISPR低得多，但后者已经建立起了十年的技术改进。另一方面，Fanzor在选择性方面优于CRISPR，它在切割目标DNA时不会损坏附近的片段。该团队说，Fanzor蛋白可能成为基因编辑工具箱中的一个关键工具，它的发现表明还有更多隐藏在外面的东西有待发现。该研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368717.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368717.htm

新的CRISPR基因编辑系统可以批量“拖放”DNA 损伤更小成功率更高

新的CRISPR基因编辑系统可以批量“拖放”DNA损伤更小成功率更高在过去的几十年里，科学家们将这一系统调整为一个强大的基因工程工具。CRISPR系统由一种酶组成，通常是一种叫做Cas9的酶，它可以切割DNA，还有一个短的RNA序列，指导该系统在基因组的正确部分进行切割。这可以用来剪掉有问题的基因，如那些导致疾病的基因，并可以用其他更有益的基因来替代它们。问题是这一过程涉及破坏DNA的两条链，由于细胞可能很难按原定计划重新修补，从而导致非预期的改变和被编辑细胞的更高癌症风险。因此，麻省理工学院的研究人员着手开发一种新版本的工具，它对基因组更加温和。与现有CRISPR-Cas9的"剪切和粘贴"方法不同，该团队将这种新方法描述为更像一个"拖放"系统。PASTE，即"通过特定位点靶向元素的可编程添加"，仍然使用Cas9酶在引导RNA指定的位置切割DNA，但不同的是，新系统先切割一条链，"粘贴"后然后再切割另一条链，而不是同时切割两条链，这使其稳定性更佳。新基因的插入由称为丝氨酸整合酶的酶处理，这些酶被病毒用来感染细菌并将其DNA插入目标的基因组--具有讽刺意味的是，CRISPR的起源是细菌对这些确切攻击的防御。这些整合酶自然地寻找目标基因组中的特定序列，因此在PASTE系统进行温和切割后，它插入了整合酶正在寻找的小"着陆点"序列。最后，整合酶将其DNA有效载荷插入该部位的基因组中。在一系列测试中，该团队将PASTE系统用于人类肝脏细胞、T细胞和淋巴细胞，将13个不同的基因插入基因组的9个位置。其成功率高达60%，并且在插入部位产生的错误非常少。然而，在具有"人性化"肝脏的小鼠身上进行的试验只在大约2.5%的细胞中起作用。这种技术不仅更温和，而且可能更安全，但该团队表示，它能够一次插入大量的DNA--在测试中可以实现高达36000个碱基对的处理。这可能使它对替换有缺陷的基因特别有用，如那些导致囊性纤维化或亨廷顿氏病的基因。"这是一种可能针对这些真正难以治疗的疾病的新的遗传方式，"该研究的高级作者OmarAbudayyeh说。"我们想努力实现基因治疗在其最初成立时应该做的事情，那就是替换基因，而不仅仅是纠正个别突变。"虽然在改进PASTE之前还有很多工作要做，它可以被用于治疗这些疾病，但也不乏其他正在开发的CRISPR的温和变体。这包括CRISPR-Combo、MAGESTIC、RLR，以及使用噬菌体或跳跃基因的系统。这项新研究发表在《自然-生物技术》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333695.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333695.htm

科学家利用CRISPR工具识别导致肝癌的基因突变

科学家利用CRISPR工具识别导致肝癌的基因突变CSHL的科学家们在小鼠身上创造了两种肝脏肿瘤亚型，上面的图像。左边的图像显示了一种肝脏肿瘤亚型，它与人类肝癌的最常见形式--肝细胞癌有关。右边是一种与较罕见的肝癌有关的肿瘤亚型，主要发现于儿童，名为肝母细胞瘤。基因包含产生蛋白质所需的信息。拼接是一个过程，从基因编码的信息中复制的RNA信息在被用作制造特定蛋白质的蓝图之前被编辑。源自单一基因、功能高度相似但氨基酸序列不同的蛋白质被称为异构体。异构体的产生是身体对一个基因或蛋白质的特性进行模仿的方式。不同的异构体可以导致不同类型的癌症肿瘤的形成。这些肿瘤亚型很难在实验室中产生，因此难以研究。为了更好地了解异构体如何导致不同类型肝癌的产生，一项新的研究使用基因编辑工具CRISPR/Cas9来研究不同的异构体如何导致不同肿瘤亚型的发展。该研究的通讯作者SemirBeyaz说："每个人都认为癌症只是一种类型。但是有了不同的异构体，你最终会出现具有不同特征的癌症亚型。"研究人员使用CRISPR/Cas9锁定了小鼠基因CTNNB1的一个部分。CTNNB1基因提供了制造一种叫做β-catenin的蛋白质的指令，这种蛋白质参与调节和协调细胞间的粘附，并参与基因转录。以前的研究已经确定β-catenin是一种有效的致癌基因，这种基因可以将健康细胞转化为肿瘤细胞。CTNNB1基因的突变与广泛的癌症有关，包括肝癌和结肠癌。CTNNB1基因第3外显子的突变--外显子是编码蛋白质的DNA或RNA的一个部分--是参与肿瘤形成的基因转录的关键。在目前的研究中，研究人员希望确定β-catenin突变如何推动肝癌肿瘤亚型的发展，即肝细胞癌（HCC）和肝母细胞瘤（HB）。HCC是成人肝癌中最常见的类型，约占所有肝癌的90%，而HB是一种罕见的肝癌形式，常见于儿童。通常，CRISPR/Cas9技术被用来通过移除DNA序列的部分来抑制基因功能（功能丧失）。但在这里，研究人员首次将其用于功能增益研究，在小鼠中创造不同的致癌突变。以这种方式使用CRISPR/Cas9刺激了蛋白质的活性，因此也刺激了肿瘤的生长。通过对肿瘤亚型、HCC和HB进行基因测序，研究人员发现，CRISPR/Cas9诱导的β-catenin异构体推动了肝脏肿瘤亚型。Beyaz说："我们能够确定那些与不同癌症亚型相关的异构体。对我们来说，这是一个令人惊讶的发现"。为了证实这些异构体导致了突变，研究人员测试了他们是否能够在不使用CRISPR的情况下在小鼠中产生肝癌亚型。他们发现确实可以。该研究强调了在功能增益研究中使用CRISPR/Cas9的潜力，并创造了一种模拟某些肝脏肿瘤亚型的新方法。它还进一步证明了外显子3在肿瘤发展中的作用以及靶向外显子跳过的好处。外显子跳过是一种疗法，它使用突变特异性反义寡核苷酸（AON）--一种实验室制造的可以与特定RNA分子结合的DNA或RNA位点--来诱导RNA剪接，使细胞"跳过"有问题的或错位的外显子。研究人员希望他们的发现可能会指导未来对癌症的新治疗干预措施的研究。Beyaz说："最终，我们想做的是找到研究癌症生物学的最佳模型，以便我们能够找到治疗方法。"该研究发表在《病理学杂志》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354177.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354177.htm

科学家设计CRISPR噬菌体 - 可对细菌实施基因编辑的特殊病毒

科学家设计CRISPR噬菌体-可对细菌实施基因编辑的特殊病毒在自然界中，CRISPR最初是由细菌作为一种防御机制来对付捕食它们的病毒，但在新的研究中，研究人员扭转了局面。他们设计了猎杀细菌的病毒，基础来自于广为人知的噬菌体，特别设计的噬菌体可以针对某些菌株，向它们注入CRISPRDNA，对它们的基因组进行特定编辑。在实验室测试中，这些噬菌体--被命名为T7和lambda--负责向大肠杆菌传递基因，使细菌发出荧光，并改变它们对一种抗生素的抗性。果然，这些变化在细菌身上被看到了，表明它正在发挥作用。在下一个测试中，该团队使用λ噬菌体来运输所谓的胞嘧啶碱基编辑器。这种工具并不切断目标的DNA，而是改变序列中的一个字母，使特定的基因失去活性，使之成为一种更温和的细菌。该研究的主要作者MatthewNethery说："我们在这里使用碱基编辑器作为大肠杆菌中基因的一种可编程的开关。使用这样的系统，我们可以对基因组进行高度精确的单字母改变，而不会出现通常与CRISPR-Cas瞄准有关的双链DNA断裂。"最后的测试被设计为模拟一个更自然的环境，使用一个人造的生态系统（EcoFAB）。这涉及到在一个罐子里装上由沙子和石英组成的合成土壤、一些液体和三种不同类型的细菌，包括大肠杆菌。其目的是测试噬菌体在一个更真实的环境中追捕其目标的能力如何，以及它们是否能从其他物种中分离出大肠杆菌。当λ被引入EcoFAB时，它在编辑大肠杆菌方面取得了相当大的成功，研究小组报告说整个细菌群体的效率高达28%。研究人员说，随着进一步的工作，这种技术最终可以在土壤细菌的大规模基因编辑中找到用途，甚至可能在肠道微生物组中找到。该研究的通讯作者RodolpheBarrangou说："我们认为这是一种帮助微生物组的机制。我们可以对一个特定的细菌进行改变，而微生物组的其他部分仍然不受影响。这是一个可以在任何复杂的微生物群落中采用的概念证明，这可以转化为更好的植物健康和更好的胃肠道健康--对食品和健康具有重要意义的环境。"这项研究发表在《美国科学院院刊》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332127.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332127.htm