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酶工程增强了超精密CRISPR工具

来源:Nature2020-02-11

Nature 2020-02-11

CRISPR基因组编辑工具的超精确版本变得更好。研究人员已经通过工程化酶提高了基于流行但容易出错的CRISPR-Cas9系统的技术的准确性,该酶可以精确地靶向DNA,而不会引入许多不必要的突变。

该酶于210日发表在《自然生物技术》上,该酶可以产生一种称为碱基编辑的方法,该方法可使研究人员将一个DNA字母转换为另一个字母,作为治疗遗传疾病的工具更为可行。

碱基编辑于2016年首次被描述,与传统的CRISPR–Cas9编辑相比,可提供更大的控制力,但也可向基因组引入随机的脱靶变化。新酶不太可能产生这些错误,因此可以使研究人员开发更安全的基因疗法。

麻省理工学院和哈佛大学剑桥大学化学生物学家戴维·刘说:人类基因组编辑时代现在才刚刚起步,我们所有人都有责任尽一切可能使不良反应的风险降至最低。,马萨诸塞州,其小组开发了这种酶。尤其是这些药物开始进入临床试验的时候。

可控CRISPR

即使通过快速的基因组编辑标准,基础编辑也迅速获得了研究人员的青睐。常规的CRISPR–Cas9编辑和碱基编辑都使用Cas9酶将DNA编辑靶向由RNA定制链指定的位点。在CRISPR–Cas9编辑中,研究人员使用Cas9酶切割DNA的两条链,然后依靠细胞的DNA修复机制在该位点引入DNA序列变化。该方法可能是有效的,但是几乎不能控制引入什么序列。

但是,在碱基编辑中,Cas9酶切割DNA的能力被禁用,并与其他可以将DNA编码的一个字母化学转化为另一个字母的酶融合。Cas9将这些酶引导至目标位置,在该位置而不是破坏DNA的两条链,而是重写一个特定的字母。

由于许多可遗传的人类疾病(例如镰状细胞贫血)可能是由DNA的单字母变化引起的,因此碱基编辑是治疗这些疾病的一种有吸引力的方法。

Liu和他的同事首次描述该技术以来不到四年,那时位于马萨诸塞州沃特敦的非营利性生物资源库Addgene已经向数千个实验室分发了8,000个基础编辑工具。并于25日由刘为共同创立的位于马萨诸塞州剑桥的公司BeamTherapeutics公开发售,筹集了1.8亿美元。

不需要的编辑

但是该技术仍需要优化。去年,研究人员报道说,用于将DNA碱基C转变为T的酶不仅可以作用于研究人员指定的靶标,而且还可以作用于基因组中的其他随机位置。这些脱靶效应引起了人们对将这种技术用于人类基因治疗的担忧,因为不需要的DNA编辑可能会造成伤害。

问题的一部分是这些变化是随机分散在整个基因组中的,而检测它们的唯一方法是对完整的,经过编辑的基因组进行测序,这既麻烦又昂贵。

为了解决这个问题,Liu及其同事开发了几种方法,无需对整个基因组进行测序即可在细菌和人类细胞中发现脱靶突变。在其中一种方法中,研究人员将基础编辑器插入细菌中,并测试了微生物对抗生素的抗性。细菌细胞产生抗药性的频率越高,碱基编辑器在抗药性基因的DNA突变中就越活跃。

该团队使用他们的方法来筛选天然存在和经过工程改造的各种酶,以寻找具有更高保真度的碱基编辑酶。结果是收集了一系列酶,这些酶可以将C转化为T,而不会引起许多脱靶突变。

中国科学院遗传与发育生物学研究所的植物生物学家高才霞说,减少偏离目标的变化的能力对于有人使用基础编辑作为药物来说非常重要。对于高来说,刘的筛选方法比新酶本身更令人兴奋。她的实验室发现,一些基础编辑不能很好地在植物单元中工作,因此她希望能够专门针对那些从事这种工作的人进行筛选。

上海中科院神经科学研究所的遗传学家惠阳说,他的实验室成员还开发了改良的碱基编辑酶,这种酶不会产生可检测到的脱靶突变。

Liu实验室本周发表的其他工作可能会进一步增加该方法的实用性。在《自然生物技术》的另一篇论文中,研究小组开发了Cas9酶,它们可以靶向以前无法到达的DNA区域。

在刘介绍了另一种称为初等编辑的CRISPR技术后几个月,就对基础编辑进行了改进,这为研究人员提供了对基因组各种不同变化的更多控制。

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