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加入“停止键” “加速”基因编辑

时间:2017-09-19 10:45:41  来源: 放大 缩小 默认

  8月24日,国际著名期刊《细胞》杂志发表一篇论文引起了全球的关注:CRSIPR—Cas9技术的发现者之一、加州大学伯克利分校的生物化学家詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)团队发现了两个特殊的蛋白质,可以终止基因编辑过程!

  能终止基因编辑的蛋白质被发现,就好比给基因编辑这把生命魔剪添加了“停止键”,对于利用编辑技术进行科学研究的科学家来说,改造生命将会更加精准、更加得心应手。

  发现抑制基因编辑的“秘密”

  在詹妮弗·杜德纳之前,已经有多项研究发现了至少7种蛋白质,可以抑制Cas9,让细胞无法切割编辑DNA。这些对抗CRISPR的蛋白质被统称为抗CRISPR蛋白(anti—CRISPR protein),简称ACR。

  詹妮弗·杜德纳和她的同事想要弄清楚ACR蛋白的机理和作用范围。他们选了两个ACR蛋白:ACRIIC1和ACRIIC3进行研究。研究发现,ACRIIC1可以抑制很多不同的Cas9蛋白,有广谱抑制剂的效果:当ACRIIC1在细胞中遇到Cas9以后,可以紧紧地结合在Cas9用来抓住DNA的位置上,让它无法再与DNA结合进而切割破坏DNA。这就好像把Cas9的手脚束缚住了无法再腾出手来杀灭目标DNA。研究人员通过X射线结晶法,获得了清晰的ACRIIC1和Cas9结合在一起的结构。

  另一个ACR蛋白ACRIIC3只能抑制一种叫NmeCas9的Cas9蛋白。它采取的策略是把两个 Cas9蛋白黏结在一起,这样就显著改变了Cas9的结构,让它失去了与DNA结合的能力。

  研究还发现,ACRIIC1和ACRIIC3这两个蛋白质属于一个很大的蛋白质家族,这个蛋白质家族对不同的基因编辑系统有广谱抑制性,意味着在未来的终止基因编辑过程中,这些ACR蛋白可能得到广泛应用,让基因编辑变得更精确,副作用也更少。

  找出最灵敏的“停止键”

  其实,这并不是ACR蛋白的作用机理第一次被揭示出来。今年4月,《自然》杂志发表过一篇重磅论文,作者是来自哈尔滨工业大学生命科学与技术学院的教授黄志伟。他的团队首次对另一种Cas9抑制蛋白—ACRIIC4的作用机制进行了研究,证实其能有效抑制一种广泛应用的Cas9蛋白—SpyCas9的基因编辑活性。

  ACRIIC4的作用机理与ACRIIC1和ACRIIC3也不相同。它可以模仿DNA与Cas9结合,让CRISPR—Cas9“魔剪”误认为自己切断了真实的DNA片段。用这种方法,可以阻断Cas9酶活性,来避免脱靶导致的“误伤”。

  对于詹妮弗·杜德纳团队的研究发现,黄志伟在接受采访时表示,通过对比性研究,可以找到最有效的抑制蛋白,将其加入基因编辑系统,让Cas9在完成基因编辑任务后准时“关闭”功能,避免脱靶效应。

  在实际操作中,使用者将如何使用这类蛋白质来终止基因编辑过程?南方医科大学基础医学院教授赵小阳说,“比如要修复某个致病基因,可以在转入Cas9,gRNA及donor质粒后直接转染该类蛋白,或者其表达质粒,来关闭Cas9酶活性,就能避免长时间的Cas9活性对其他位点或者已修复的位点再次切割。”

  赵小阳表示,停止基因编辑进程的蛋白家族的发现使得能够实现Cas9蛋白活性的时空调控,让基因编辑生效的时间窗口变得更精确。“及时关闭Cas9酶活性,能够在较大程度上降低脱靶效率,提高了基因敲除以及基因修复的准确性,这可能会推动基因编辑技术在临床治疗上的应用。”赵小阳说,另一方面,这类停止基因编辑进程的蛋白质能够应用于CRISPR—Cas9介导的转录调控系统中,能帮助及时关闭转录激活或转录抑制,从而控制哪些基因表达,哪些基因不表达。

  在未来,研究人员可以根据自己的需要,将ACR等Cas9的抑制蛋白加入基因编辑系统里,针对某个特定的器官、组织、发育阶段的细胞进行基因编辑,人类改造生命的探索将更加得心应手。(记者 李秀婷)

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