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科学家以光为媒介用CRISPR手术刀精准切割DNA 观察到超高速DNA修复

2020-06-20 14:27 前瞻网   
科学家以光为媒介用CRISPR手术刀精准切割DNA 观察到超高速DNA修复

在一系列使用人类癌细胞系的实验中,约翰·霍普金斯大学医学院的科学家说,他们已经成功地利用光作为触发因素,使用一种称为CRISPR的分子手术刀,迅速对基因组材料进行了精确切割,并观察了专门的细胞蛋白如何修复基因被切割的确切位置。

6月12日发表在《科学》杂志上的实验结果,不仅揭示了DNA修复过程的新细节,而且,研究人员说,还可能加快和帮助人们了解DNA活动,而这种活动通常会导致衰老和许多癌症。

“我们的新基因编辑系统允许在激活后几秒钟内对DNA进行定向切割。而采用以前的技术,基因编辑可能需要更长的时间——甚至是几个小时。”博士后研究员、约翰霍普金斯大学医学研究团队成员Yang Liu博士说。

近年来,强大的CRISPR工具使科学家能够很容易地改变或“编辑”DNA序列和改变基因功能,以加快基因相关条件的研究步伐。

CRISPR根据细菌中天然存在的基因编辑系统改造而成,它使用称为RNA的遗传物质的小序列作为一种指导,被编码为与细胞内特定的基因组DNA序列匹配并结合。 CRISPR分子还包含一种称为Cas9的酶,该酶可作为手术刀切除DNA序列。 然后,细胞利用自身的酶和蛋白质修复切片的DNA,通常添加一些DNA序列,科学家将这些序列插入细胞。

Liu说,无法以快速、精确和“随需应变”的方式切割DNA(例如使用CRISPR)阻碍了DNA修复过程的研究。

在新的实验中,科学家们通过设计一种光敏RNA分子来修改CRISPR- cas9复合体,这种RNA分子使CRISPR复合体只有在暴露在特定波长的光下才能切断活细胞中的基因组DNA。

约翰霍普金斯大学医学博士说:“我们技术的优势在于,研究人员可以让CRISPR机制找到它的目标,而不必过早地切断基因,直到暴露在光线下才会停止它的活动。”博士在读生、也是研究小组成员Roger Zou补充说:“这让研究人员能够更精确地控制DNA在何时何地被切断。”

其他研究团队已经试验了药物和光激活来控制CRISPR时间,Taekjip Ha博士说,他是约翰霍普金斯大学生物物理学和生物物理化学、生物物理学和生物医学工程的Bloomberg特聘教授,也是霍华德休斯医学研究所的研究员。他的团队的实验有所不同,其方法是改善CRISPR切割的精确时机,并检查蛋白质修复DNA损伤的速度。

在当前的研究中,由约翰·霍普金斯大学医学院生物物理学和生物物理化学助理教授Ha和Bin Wu博士领导的约翰·霍普金斯研究小组将电脉冲传递给人类胚胎肾细胞和骨癌细胞,该细胞在细胞膜上开了孔,并使具有光激活RNA分子的CRISPR复合物滑入细胞中。 然后,科学家们等待了12个小时,以使CRISPR复合物与基因组DNA上的目标点结合。

当他们用一束光照射细胞时,他们会追踪CRISPR复合体完成切割所需的时间。

研究小组发现,在将光照射到细胞上的30秒内,CRISPR复合物已经切割了超过50%的靶标。

为了进一步研究DNA修复的时间,约翰·霍普金斯大学的科学家们跟踪了参与DNA修复的蛋白质是什么时候抓住了DNA切口的。他们确定,修复蛋白在CRISPR激活后两分钟内开始工作,修复在15分钟后完成。

“我们已经证明,光激活基因切割非常快,而且在生物医学研究中具有广泛的应用潜力。”“揭示CRISPR基因切割的时间,让我们能够更精确地看到生物过程。”Ha和约翰·霍普金斯大学的团队将这项技术称为“非常快速的随需应变CRISPR”。

Ha还指出,光激活比药物能在细胞内广泛扩散提供更好的位置控制。

约翰霍普金斯大学的研究小组还使用高分辨率显微镜“观察”修复蛋白如何与活细胞中的CRISPR剪切位点相互作用。

他们使用这些显微镜和聚焦的光束显示,可以激活CRISPR切割人类细胞中常见的两个基因拷贝之一。他们说,这种能力为使用CRISPR研究和最终治疗仅与一种异常基因拷贝相关的疾病提供了机会,例如亨廷顿氏病。

“有一个很大的研究团体对研究DNA损伤及其影响感兴趣。”Ha说。“我们开发的技术非常适合研究这个问题。”

Ha指出,科学家通常使用电离辐射或化学物质来研究DNA损伤。他说,虽然这些方法也可以很快,但它们并不针对特定的基因组位置。

该团队已经为这项研究中描述的CRISPR技术申请了临时专利。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://medicalxpress.com/news/2020-06-light-activated-crispr-triggers-precision-gene.html

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

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