Nature、Science和Cell三大期刊CRISPR技术重大发现

日期: 2016年03月31日


    

CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列的简称,Cas是CRISPR相关蛋白的简称。CRISPR/Cas最初是在细菌体内发现的,是细菌用 来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。每个CRISPR含有多个长24-48bp的重复序列,而这些重复序列之间被间隔序列(spacer DNA)分隔开,每个间隔序列大约长26~72 bp。

 
CRISPR/Cas系统包含三个关键性组分:两个非编码性的短链 RNA分子,即 crRNA和tracrRNA,以及Cas蛋白复合物。tracrRNA通过碱基配对与crRNA的一部分序列结合形成tracrRNA/crRNA嵌合 RNA。然后,借助crRNA的另一部分序列与靶DNA位点进行碱基配对,这种嵌合RNA能够引导Cas蛋白复合物结合到这个位点上并进行切割,因而这种 嵌合RNA也称作向导RNA(sgRNA)。

 
目前已在细菌中发现三类CRISPR/Cas系统,I型和III型系统需要众多蛋 白的参与, 因而不适宜操作和改造。然而,II型系统就简单得多了,一个Cas9核酸酶利用sgRNA就可以完成识别和切割靶双链DNA,因此II型系统也被称作 CRISPR/Cas9系统。Cas9含有两个酶切活性位点,每一个位点负责切割DNA双链中的一条链。对这两种RNA进行人工设计,可以改造形成具有引 导作用的sgRNA,足以引导 Cas9 对双链DNA 的定点切割。

 
进一步的研究还证实,CRISPR/Cas9的基因组编 辑能力只有 在被称作前间隔序列邻近基序(protospacer adjacent motif, PAM)的短片段DNA序列的存在下才成为可能。只有DNA靶位点附近存在PAM时,Cas9才能进行准确切割。再者,PAM的存在也是激活酶Cas9所 必需的。

 

 

为 了更进一步证明 CRISPR/Cas9的优势,科学家们已成功构建出一个越来越庞大的sgRNA分子库,如来自德国科学家Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier课题组已构建出数万条sgRNA,这些sgRNA分子能够特异性地与90%的人类基因结合,这样人们就可以对人类基因组任意位点进 行编辑。

 
目前CRISPR/Cas9已被成功地用来对细菌、植物、人体细胞以及斑马鱼进行基因组编辑。更重要的是,越来越多的 体外和体内 研究证实它能够被用来校正致病性的基因突变从而有效地治疗小鼠和人干细胞中的疾病。但是,正如锌指核酸酶(ZFN)和转录激活子样效应因子核酸酶 (TALEN)一样,CRISPR/Cas9也存在明显的脱靶效应。已有研究证实,sgRNA分子能够与靶点序列不同的非靶点序列结合,非靶点序列与靶点 序列的碱基差异可以达到5个之多。因此,CRISPR/Cas9若要能够用于人类疾病治疗,就必须确保其临床安全性。

 
在此之 前,科学家取得重大突破主要在于降低CRISPR/Cas9的脱靶效应,以及利用CRISPR/Cas9治疗一系列疾病,如利用CRISPR/Cas9清 除人T细胞基因组中的HIV-1、利用CRISPR/Cas9有望让猪成为病人的器官供者、应用CRISPR/Cas9治疗肝脏疾病等等,以及利用 CRISPR/Cas9进行动植物育种、构建疾病模型等等。但是这些应用都是都只是利用CRISPR/Cas9系统靶向作用于靶DNA序列,而且还需要切 割靶DNA。

 
下 面赛业生物列举最近一段时间发表在Science、Nature和Cell顶尖期刊上的一些重大发现,这些发现以现有的CRISPR/Cas9系统为基 础进行改进,所产生的CRISPR/Cas9改进版可以靶向作用于RNA,或者尽管靶向作用于靶DNA,但是无需切割靶DNA序列,从而更加高效地抑制靶 基因表达,等等。

 
1.Cell:首次利用CRISPR-Cas9靶向活细胞中的RNA

 

 

储 存于DNA中的遗传密码决定着包括从我们眼睛的颜色到我们的疾病易感性在内的一切。鉴于RNA携带来自细胞核中的遗传密码,科学家长期以来就一直在寻求一 种方法高效地靶向作用于活细胞中的RNA。如今,在一项新的研究中,来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过将一种流行的DNA编辑技术 CRISPR-Cas9应用到RNA上而实现这一壮举。相关研究结果于2016年3月17日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Programmable RNA tracking in Live Cells with CRISPR/Cas9”。

 
正 常情形下,CRISPR-Cas9是这样工作的:设计一种与特异性靶基因序列相匹配的向导RNA(gRNA)。这种gRNA引导Cas9酶到基因组所需编 辑的位点上并在那里切割靶基因DNA序列。细胞不准确性地修复这种DNA断裂,因而让这种基因失活,或者利用经过校正的基因版本替换切口附近的DNA片 段。

 
在此之前,CRISPR-Cas9只能被用来操纵DNA。在这项新的研究中,Yeo和同事们基于这种技术开发出一种灵活的靶向作用于活细胞中RNA的方法,该方法也被称作RNA靶向Cas9(RNA-targeted Cas9,RCas9)。

 
为 了靶向作用于RNA而不是DNA,研究人员改变CRISPR-Cas9系统的几种特征。基于论文共同作者、加州大学伯克利分校研究员Jennifer Doudna博士之前的研究,研究人员设计出一种短的被称作PAMmer的核酸片段,它与gRNA一起将Cas9引导到RNA分子上。

 
为 了测试这种新的系统,Yeo和同事们利用它靶向作用于编码蛋白ACTB、TFRC和CCNA2的RNA。他们随后观察与一种荧光蛋白融合在一起的 Cas9,结果揭示出RNA迁入应激颗粒(stress granules)---当细胞处于应激时,在细胞胞质中形成的蛋白和RNA簇集物---内部。应激颗粒与诸如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)之类的神 经退行性疾病相关联。这一系统允许他们在一段时间内在活细胞中追踪RNA,同时不需要其他RNA追踪技术中经常使用的人工标记物,而后者通常会干扰正常的 细胞过程。

 

2. Cell Stem Cell:重大突破!开发出比CRISPR-Cas9更好的CRISPRi技术


在 一种新的研究中,来自美国格拉斯通研究所的研究人员将二十一世纪两种最为强大的工具结合在一起,首次利用改进的CRISPR-Cas9系统,修改了诱导性 多能干细胞(iPSCs)基因组被读取的方式。相关研究结果于2016年3月10在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“CRISPR Interference Efficiently Induces Specific and Reversible Gene Silencing in Human iPSCs”。

 
在这项研究中,研究人员采用一种被称作 CRISPRi(CRISPR interference, CRISPR干扰)的CRISPR改进版让iPSCs和源自iPSCs的心肌细胞中的基因失活。这种方法由当前这篇论文的共同作者Stanley Qi博士于2013年首次报道,它允许更加准确地和高效地沉默或者说关闭基因,从而显著地改进了CRISPR-Cas9系统。CRISPRi也可以灵活地 逆转基因抑制和调整基因抑制程度。

 
标准的CRISPR系统利用蛋白Cas9在细胞DNA上进行切割,从而准确地删除基因组中的 靶序列。基 于这种系统的CRISPRi使用一种由两种蛋白组分融合在一起而形成的蛋白:一种组分是一种可经强力霉素(doxycycline)诱导而失活的Cas9 蛋白版本(dCas9),另一种组分是蛋白KRAB的抑制结构域。为此,研究人员将编码dCas9的基因和编码KRAB抑制结构域的基因融合在一起,形成 被称作融合基因dCas9-KRAB的抑制基因,并将该融合基因导入AAV病毒载体中,然后就利用该病毒载体转导宿主细胞(如iPSCs和源自iPSCs 的心肌细胞),从而在宿主细胞中表达这种融合蛋白。所产生的融合蛋白停留在基因组靶位点上,抑制基因表达而无需切割DNA。令研究人员吃惊的是,以这种方 式暂时地沉默基因表达要比永久性地切割基因组具有更好的准确性和更高的效率。

 
在这项研究中,研究人员比较了CRISPRi和 CRISPR-Cas9如何沉默一种控制iPSCs多能性---iPSCs分化为多种类型细胞的能力---的特定基因。他们发现CRISPRi要比 CRISPR-Cas9更加高效:CRISPRi能够让95%以上的细胞中的靶基因沉默,而相比之下,CRISPR-Cas9只能让60%~70%的细胞 中的靶基因沉默。而且,除了靶基因外,CRISPRi不会导致其他基因的表达发生变化,如不会导致细胞基因组产生不想要的序列插入或删除,而这正是 CRISPR-Cas9技术的令人担忧之处。

 

3. Nature:巨型病毒也有类似细菌CRISPR的免疫系统

 
就像细菌,体型较大的病毒也需要保护自己,免受其他微小生物入侵。根据法国科学们的一项新研究,这些巨型病毒有类似于细菌中的CRISPR系统的免疫系统,来保护自己。相关工作发表在近期的《Nature》上。

 
2003 年,法国艾克斯-马赛大学的 Didier Raoult和Bernard La Scola发现在变形虫中存在奇怪的团块,后来被发现是一种典型的巨型病毒,比常见的病毒大了约四倍。因为这些病毒似乎可以模仿细菌,于是它们被称为 mimiviruses。在随后的几年中,这些研究人员已经发现150不同类型的mimiviruses,如megaviruses和 pandoraviruses。这些新类型病毒的出现挑战传统定义上的生物分类学。虽然争议仍然存在,Didier Raoult甚至声称mimiviruses可能是生命之树的一个新的分支。

 
这些mimiviruses本身不同于其他病毒的表 现为,它 们自己可能被通过更小的病毒攻击。但在2014年,研究人员意识到,小型病毒只可以侵入某些类型mimiviruses。他们推测,有些 mimiviruses病毒有很象细菌的免疫系统,它们可以将攻击者的少量DNA整合到自己的遗传物质中。这样,如果在同一病毒试图再次侵入,宿主 mimiviruses病毒能够识别出该攻击者,并清除它。

 

4. Science:CRISPR系统新发现!也可将RNA片段整合进宿主基因组

 

 

CRISPR(clustered regularly-interspaced short palindromic repeats,成簇的规律间隔性短回文重复序列)系统调控着许多种原核生物体内的适应性免疫应答。CRISPR本身其实就是细菌基因组DNA上的一段特 殊的序列,这段序列倒是很有个性:几十个碱基构成的特殊DNA序列连续串联重复多次,在重复单元之间的间隔也差不多有几十个碱基那么长,但是这些间隔序列 的构成却是千变万化毫无规律可循。

 
在一项新的研究中,来自美国德州大学奥斯汀分校和斯坦福大学医学院等机构的研究人员在被称作 地中海海单 胞菌(Marinomonas mediterranea, MMB-1)的海洋细菌中,发现该细菌利用一种新鉴定出的涉及核糖核酸(RNA)的机制识别和破坏危险的病毒:利用RT-Cas1融合蛋白以一种RT依赖 的方式捕获病原体的RNA片段,然后MMB-1 RT-Cas1和Cas2将这些RNA片段整合到该细菌基因组的CRISPR序列中,然后逆转录这些RNA片段,将它们变成位于CRISPR重复序列之间 的cDNA。这种识别和破坏病毒的系统类似于捕获外源DNA的CRISPR/Cas9系统。这一发现可能导致人们开发出更好的方法阻止杀死农作物的病毒和 干扰诸如奶酪和酸奶之类的乳制品制造的病毒。相关研究结果发表在2016年2月26日那期Science期刊上,论文标题为“Direct CRISPR spacer acquisition from RNA by a natural reverse transcriptase–Cas1 fusion protein”。

 

5. Nature:CRISPR系统重大进展,喜获Cascade复合体结构图

 

 

在 一项新的研究中,来自美国蒙大拿州立大学、康奈尔大学和约翰霍普金斯大学的研究人员研究了细菌如何抵抗来自病毒的攻击。相关研究结果于2016年2月10 日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Structural basis for promiscuous PAM recognition in type I–E Cascade from E. coli”。蒙大拿州立大学文理学院、农业学院微生物学与免疫学助理教授Blake Wiedenheft及其研究生Paul B.G. van Erp都是这篇论文的作者。

 
“与人类一样,细菌也会遭受病毒感 染”,Wiedenheft说,“最近,我们发现细菌有复杂的被称作CRISPRs(clustered regularly-interspaced short palindromic repeats,成簇的规律间隔性短回文重复序列)的免疫系统,我们的研究工作旨在了解这些免疫系统是如何工作的。”


为了理解这些 免疫系 统如何区分“自我”的DNA和“非自我”的DNA,研究人员使用了一种被称作X射线晶体分析法的技术构建出大肠杆菌免疫系统的CRISPR相关抗病毒防御 复合体(CRISPR-associated complex for antiviral defence, Cascade)识别外源DNA片段时的详细结构图。


“这些结构图,在概念上类似于建筑施工图,解释了这些抗病毒防御复合体如何发挥作用”,Wiedenheft说,“我们如今正在试图利用这些结构图改造这种系统用于大自然未曾想到的应用。”

 

6. Nature:CRISPR-Cas也有天敌!

 

 

近 日,来自加拿大多伦多大学的研究人员在著名国际学术期刊Nature上发表了一项最新研究进展,他们在这项研究中首次发现了噬菌体合成的用以抑制细菌体内 CRISPR-CAS系统的蛋白质。细 菌与感染细菌的病毒(噬菌体)之间的生存之战导致了许多细菌的防御系统得到进化,同时噬菌体也针对这些系统进化出了新的拮抗物。CRISPR-CAS系统 是细菌保护自己防御噬菌体的一种最常见方法,它在许多细菌体内作为适应性免疫系统发挥重要作用。目前CRISPR-CAS9系统已经越来越广泛地得到科学 家们的青睐,用于基因修饰和基因功能研究。在这项研究中,研究人员利用生化和体内研究方法对噬菌体产生的三种抗CRISPR蛋白进行了研 究,结果发现每一种蛋白质都通过不同的机制抑制CRISPR-CAS活性。其中两种蛋白通过与CRISPR-CAS复合体内的不同蛋白亚基发生相互作用, 利用空间或非空间抑制效应阻断CRISPR-CAS复合体的DNA结合活性。而第三种抗CRISPR蛋白则通过与CAS3解旋酶-核酸酶结合,阻止其被招 募到与DNA结合的CRISPR-CAS复合体上。

 
研究人员利用体内实验证明抗CRISPR能够将CRISPR-CAS系统转变为一个转录抑制因子,首次提出了通过蛋白结合调节CRISPR-CAS活性的模型。

 

 备注:原文来自生物谷,由赛业生物编辑分享

 

  • 侧边栏广告 - 模式动物成功案例
  • 侧边栏广告 - 科研奖励基金计划
  • 侧边栏广告-积分兑换礼品