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科研新知
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Nature | DNA单碱基编辑技术新突破,有望修复大约89%的已知人类致病变异

一种被称为“Prime editing”技术通过使新的gRNA (pegRNA)结合两种关键蛋白质,可以在人类细胞的DNA中进行有针对性的插入、缺失和所有可能的单碱基编辑。

 

麻省理工学院博德研究所和哈佛大学的一个团队开发了一种新的CRISPR基因组编辑方法,将分子生物学中最重要的两种蛋白质 CRISPR-Cas9和逆转录酶整合到一起。

 

该系统被称为“Prime editing”,能够以精确、高效和高度通用的方式直接编辑人体细胞。这种方法扩大了生物学和治疗学研究的基因编辑范围,并有可能纠正高达89%的已知致病基因变异。

 

“分子生命科学的一个主要目标是能够精确地对任何位置的基因组进行任何改变。我们认为Prime editing使我们更接近这一目标,“David Liu(麻省理工学院和哈佛大学核心研究所的核心成员,同时也是麻省理工学院和哈佛大学梅尔金医疗改革技术研究所的所长,该研究论文的通讯作者)说,。“我们还不知道哺乳动物细胞中的另一种编辑技术能以如此少的副产品提供这种水平的通用性和精确度。”

 

新的CRISPR技术

 

Prime editing与以前的基因组编辑系统的不同之处在于,它通过RNA来引导在人类细胞中新的DNA序列的插入。

 

第一个用于人类细胞基因组编辑的CRISPR工具是Cas9蛋白,它是由Broad Institute,MIT和哈佛科学家组成的团队率先开发的。Cas9在每条DNA链附近断裂,完全切断DNA。这些工具可以在特定的位置扰乱靶基因,然后在细胞自身的引导下,通过将新的DNA重组到位点上来添加新的序列。

 

最初由Liu的实验室开发的基础编辑功能,是建立在这项技术的基础上,将Cas9融合到蛋白质上,这样蛋白质可以进行特殊化学反应,将DNA的一个字母变成另一个字母。当前的基础编辑功能可以有效地进行四种类型的单碱基更改:C-to-T、T-to-C、A-to-G和G-to-A。

 

新的Prime editing系统被设计成将Cas9偶联到逆转录酶(Reverse Transcriptase)上。新的蛋白复合体使用目标DNA位点的一条链来“引导”(或启动)直接将编辑过的遗传信息写入基因组。

 

Prime editing系统的工作原理。图 | broadinstitute.org

 

一种新型的工程导向RNA,称为pegRNA,将初级编辑引导到其目标位点,在那里修改的Cas9切割DNA的一条链。pegRNA还包含编码新编辑序列的附加RNA核苷酸。为了传递这一信息,逆转录酶元件读取RNA延伸并将相应的DNA核苷酸写入靶点。

 

精准编辑得以实施


在刊登在Nature杂志的论文中,该团队展示了Prime editing的可以精确纠正导致镰状细胞性贫血的基因变异(将特定的T转化为A)以及Tay Sachs病(需要删除基因组中精确位置的四个DNA碱基)的能力。

 

研究人员进一步报告了人类细胞和小鼠原代神经元中各种成功的编辑类型,包括将一个DNA碱基替换为另一个的所有12种可能方式,插入长达44个碱基的新DNA片段,精确删除多达80个DNA碱基,以及将这些不同类型的编辑组合在一起的修改。

 

“通过初级编辑,我们现在可以直接将镰状细胞贫血突变纠正回正常序列,并删除导致Tay Sachs病的四个额外的DNA碱基,而不需要完全切断DNA或需要DNA模板,”Liu说。 “这个系统的美妙之处在于对编辑过的序列几乎没有限制。由于添加的核苷酸是由pegRNA指定的,它们可以是与原始链仅相差一个字母的序列,具有额外或较少字母的序列,或者是这些变化的各种组合。“

 

“随着我们开发这项技术,Prime editing的多功能性很快就变得明显起来,”Anzalone回忆道。“事实上,我们可以直接将新的遗传信息复制到目标位点上,这是一个新的启示。我们真的很兴奋。”

 

研究人员报告说,当进行精度改变时与需要在每条DNA链上进行附近断裂的方法相比,Prime editing实现了成功的编辑,而不希望的“偏离目标”改变的比率更低。根据该团队的数据,Prime editing还可以在碱基编辑难以访问的目标序列中进行精确的单核苷酸改变。

 

Liu的团队打算继续优化Prime editing,包括在许多不同的细胞类型中最大限度地提高其效率,进一步研究Prime editing对细胞的潜在影响,在细胞和动物疾病模型中进行额外的测试,探索动物中的递送机制,为人类治疗应用提供一条潜在的途径。

 

研究人员和博德研究所正在向学术和非盈利社区免费提供这项技术,包括通过非营利的Addgene质粒平台。

 

Ref

1.     New CRISPR genome editing system offers a wide range of versatility in human cells. https://www.broadinstitute.org/news/new-crispr-genome-editing-system-offers-wide-range-versatility-human-cells

2.     Anzalone, A.V., Randolph, P.B., Davis, J.R. et al. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1711-4


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