Nature子刊：一步法對(duì)細(xì)胞基因組進(jìn)行多次編輯

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2024-07-11 13:27:00【大中小】

摘要：科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種新方法，使他們能夠同時(shí)在細(xì)胞內(nèi)的多個(gè)位置進(jìn)行精確的編輯。

基因組編輯已經(jīng)成為一種被廣泛采用的技術(shù)，用于修改細(xì)胞中的DNA，使科學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)室中研究疾病，并開(kāi)發(fā)出修復(fù)致病突變的療法。但是，使用當(dāng)前的方法，一次只能在一個(gè)位置編輯單元格。

現(xiàn)在，格拉德斯通研究所的一組科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新方法，使他們能夠在細(xì)胞內(nèi)的多個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行精確的編輯。利用一種叫做逆轉(zhuǎn)錄酶的分子，他們創(chuàng)造了一種工具，可以有效地修改細(xì)菌、酵母和人類(lèi)細(xì)胞中的DNA。

“我們希望通過(guò)工程工具來(lái)突破基因組技術(shù)的界限，幫助我們研究生物學(xué)和疾病的真正復(fù)雜性，”副研究員Seth Shipman博士說(shuō)，他是《Nature Chemical Biology》上發(fā)表的一項(xiàng)新研究的高級(jí)作者。

圖1 使用逆轉(zhuǎn)錄酶陣列同時(shí)對(duì)單個(gè)基因組進(jìn)行多位點(diǎn)編輯

征服的局限性

Seth Shipman是逆轉(zhuǎn)錄酶領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，逆轉(zhuǎn)錄酶是細(xì)菌免疫系統(tǒng)中的分子成分，可以產(chǎn)生大量的DNA。2022年，通過(guò)將逆轉(zhuǎn)錄酶與CRISPR-Cas9基因組編輯相結(jié)合，他的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)創(chuàng)了一種快速有效地編輯人類(lèi)細(xì)胞的系統(tǒng)。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員希望利用他們的系統(tǒng)來(lái)克服當(dāng)前基因組編輯方法的局限性。

“如果你想在基因組的多個(gè)位置編輯一個(gè)細(xì)胞，而這些位置彼此不靠近，在此之前的標(biāo)準(zhǔn)方法是一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行修改，”該研究的第一作者之一、Shipman實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者亞歷杭德羅González-Delgado博士解釋說(shuō)。“這是一個(gè)費(fèi)力的循環(huán):你首先要編輯，然后用編輯過(guò)的細(xì)胞引入另一個(gè)編輯，如此循環(huán)。”

相反，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種編碼逆轉(zhuǎn)錄的方法，這樣它就可以產(chǎn)生不同的DNA部分。當(dāng)傳遞到細(xì)胞中時(shí)，這些被稱為“多定子（multitrons）”的基因工程逆轉(zhuǎn)錄酶可以同時(shí)進(jìn)行多次編輯。

multitrons的另一個(gè)好處是它們能夠刪除基因組的大部分。

González-Delgado說(shuō):“有了multitrons，我們可以進(jìn)行連續(xù)的刪除，切除和折疊我們所瞄準(zhǔn)的基因組區(qū)域的中間部分，使遙遠(yuǎn)的兩端靠近，直到整個(gè)區(qū)域被完全刪除。”

圖2 逆轉(zhuǎn)錄酶多位點(diǎn)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了精確的基因組編輯

許多潛在的應(yīng)用

作為他們研究的一部分，Shipman和他的團(tuán)隊(duì)展示了他們的新方法在分子記錄和代謝工程中的直接應(yīng)用。

他們之前已經(jīng)證明，逆轉(zhuǎn)錄因子可以用來(lái)記錄細(xì)胞中的分子事件，提供細(xì)胞活動(dòng)及其環(huán)境變化的詳細(xì)日志。有了multitrons，研究人員擴(kuò)展了這種方法，現(xiàn)在可以以更高的靈敏度進(jìn)行記錄。

“multitrons允許我們同時(shí)記錄非常弱和非常強(qiáng)的信號(hào)，擴(kuò)大了我們記錄的動(dòng)態(tài)范圍，”González-Delgado說(shuō)。“最終，我們可以想象在腸道微生物組中實(shí)現(xiàn)這種工具，以記錄炎癥等信號(hào)。”

至于代謝工程，科學(xué)家們表明，multitrons可以用來(lái)同時(shí)編輯代謝途徑中的多個(gè)基因，以迅速增加細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)物質(zhì)的產(chǎn)量。他們?cè)谝环N名為番茄紅素的強(qiáng)抗氧化劑上測(cè)試了他們的方法，并成功地將這種化合物的產(chǎn)量提高了三倍。

Shipman說(shuō):“為了開(kāi)始對(duì)復(fù)雜的遺傳疾病進(jìn)行建模，并最終找到治療方法或治愈方法，我們需要同時(shí)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行許多不同的突變。我們的新方法是朝著這個(gè)方向邁出的一步。”

參考資料

[1] Simultaneous multi-site editing of individual genomes using retron arrays