来源:BioWorld 撰文:nagashi

近年来,CRISPR技术飞速发展,在基因编辑基因治疗核酸定位核酸检测等领域展现出强大的应用前景。其中,CRISPR/Cas基因编辑技术在众多科研工作者的努力下,更是愈渐趋向成熟,已开始应用于部分人类遗传疾病的治疗当中。

究其根源,CRISPR/Cas基因编辑技术是基于原核及古核生物的免疫防御系统开发而来。CRISPR/Cas系统可以摄取外源DNA片段,并将其插入到自身的间隔序列中,新的间隔序列转录的gRNA引导Cas蛋白特异性切割与之互补的DNA序列。

但值得注意的是,在传统的CRISPR/Cas9基因编辑过程中,gRNA引导Cas蛋白在正确的位置与DNA结合,这一过程并不是立即发生的,往往需要几个小时的时间。这意味着CRISPR/Cas9基因编辑具有延时性

那么,我们又该如何去克服这种延时性,提高CRISPR/Cas9基因编辑的速度呢?

近日,美国约翰·霍普金斯大学的研究人员在国际顶尖学术期刊 Science 杂志上发表了题为:Very fast CRISPR on demand 的研究论文。

该研究开发了一项快速CRISPR基因编辑技术——vfCRISPR,研究人员利用光敏核苷酸替换部分gRNA序列,在光照之前,这些gRNA仅能引导Cas9结合到靶标DNA上,但不会将其切割,从而精确操控基因编辑的时间

CRISPR技术的兴起使得基因编辑领域发生了翻天覆地的变化,gRNA引导Cas9蛋白识别并切割靶标DNA序列之后,DNA损伤反应(DDR)蛋白的招募启动复杂的修复过程,但科学家对DDR的时间和顺序事件仍不甚清楚。

对此,CRISPR/Cas9是研究DDR动力学的十分有潜力的工具,但目前仍缺乏必要的控制水平来启动所需的精确DNA损伤。虽然已有研究成功开发了可操控时间(小时级别)和空间(毫米级别)的CRISPR/Cas9系统,但这仍不足以满足DDR研究需求。

在这项研究中,研究团队开发了一个非常快速的CRISPR/Cas9系统,并将其命名为vfCRISPR(very fast CRISPR),它允许在亚微米空间尺度对基因组进行编辑,更重要的是,vfCRISPR可以精准控制Cas9切割靶标DNA序列的时间——从原来的数个小时缩短到几秒。

研究人员利用利用光敏核苷酸替换部分gRNA序列,在无光照条件下,gRNA仅能引导Cas9结合到靶标DNA上,但不会将其切割。换而言之,vfCRISPR可以通过光照来调控关键的DNA切割步骤。

通过vfCRISPR诱导同步DNA双链断裂(DSB),并辅以生化、测学和基于图像的分析,最终成功以高时空精度描述了DNA修复起始和进展的早期分子事件。

除此之外,vfCRISPR非常精确,并且可以一次只编辑一个等位基因,为研究复杂的遗传性状提供了基础

对于这项研究成果,DNA同源重组修复权威专家、美国科学院院士、纪念斯隆-凯特琳癌症中心分子生物学家Maria Jasin在一篇评论文章中指出,这项技术可以帮助CRISPR/Cas9编辑工具从钝器转变为精密仪器

总的来说,这项研究开发出的vfCRISPR可以在时间(秒级别)和空间(亚微米级别)上实现对靶标DNA的精准切割,在研究DNA损伤反应复杂遗传性状以及遗传疾病治疗等研究领域展现出良好的应用前景!

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6496/1265