發(fā)布日期：2018-05-11
使用 CRISPR 基因編輯技術(shù)對 DNA 進行編輯時常被喻為用剪刀對新聞稿進行剪貼。然而，剪貼詞句相對容易，刪除單個字符或者立即了解剪貼對文字意思的影響卻十分困難。科學(xué)家們希望能夠運用 CRISPR 技術(shù)將 DNA 中致病的基因變異切除，并替換成正常的 DNA 序列。為了達成這一目標(biāo)，CRISPR 技術(shù)的精確性仍然需要得到提高。
日前，由斯坦福大學(xué) （Stanford University） 和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 聯(lián)合構(gòu)建的生物計量學(xué)聯(lián)合倡議 （JIMB） 組織的研究人員開發(fā)出一種名為 MAGESTIC 的下一代 CRISPR 技術(shù)平臺。這一平臺將 CRISPR 技術(shù)從粗糙的剪貼工具，變?yōu)楦呒壍奈淖痔幚砥?，利用類?ldquo;查詢”與“替換”的功能對遺傳物質(zhì)進行精確編輯。這一成果發(fā)表在《Nature Biotechnology》上。
使用 CRISPR 技術(shù)對基因組進行編輯需要精確完成以下幾個步驟：1. 在細胞 DNA 的特定位點進行剪切；2. 在切開的位點準(zhǔn)確引入需要加入基因組的序列；3. 準(zhǔn)確觀察到基因編輯產(chǎn)生的后果。目前的 CRISPR 技術(shù)使用指導(dǎo) RNA（guide RNA，gRNA） 引導(dǎo)對 DNA 序列的精確剪切，供體 DNA（donor DNA） 幫助將需要加入特定位點的 DNA 序列引入基因組。
目前，gRNA 能夠引導(dǎo)對基因組中特定位點的精確剪切，但是下一步的 DNA 修補過程往往不夠精確，很多時候修補過程會引入隨機突變，而人工表達的供體 DNA 序列不能有效地整合到基因組中，這導(dǎo)致大量細胞在基因編輯過程中死亡。對于細胞來說，讓 DNA 修復(fù)機制在包含上百萬到上億個堿基對的 DNA 序列中找到合適的供體 DNA 是一件很有挑戰(zhàn)性的工作。MAGESTIC 平臺在這方面的進步是使用了名為“主動供體募集（active donor recruitment）”的手段，將人工合成的供體 DNA 片段募集到剪切位點的周圍。這一募集手段讓細胞存活率提高了七倍！
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MAGESTIC 平臺以新的方式使用細胞條形碼，為 CRISPR 基因編輯增加了新的精度級別（圖片來源：Kelly Irvine/NIST）
MAGESTIC 與以往高通量 CRISPR 基因編輯技術(shù)的另一個顯著區(qū)別在于，細胞條形碼的設(shè)計。過去，研究人員通常用質(zhì)粒 （plasmid） 來表達 gRNA，并存儲條形碼序列以追蹤細胞的突變，這些質(zhì)粒 DNA 會隨著細胞的生長和分裂進行復(fù)制，并傳遞到下一代細胞中。但是，每個細胞中質(zhì)粒 DNA 的數(shù)量可以從 10 個到 40 個不等，這會導(dǎo)致條形碼的數(shù)量無法用來精確檢測細胞的數(shù)目。新的 MAGESTIC 技術(shù)平臺能將條形碼整合到細胞的染色體中，這一改進讓條形碼的數(shù)目變得穩(wěn)定，使它們可以更精確地預(yù)測細胞的數(shù)量。
雖然在過去 20 年里，對 DNA 的測序和編輯技術(shù)出現(xiàn)了大幅度的進展，但是科學(xué)家們對基因組中存在的自然變異的功能和它們對疾病的影響仍然缺乏了解。MAGESTIC 可以通過精確地編輯每一個自然發(fā)生的基因變異，并且把它們和其它基因變異進行比較來增進對自然變異的理解。MAGESTIC 的另一個優(yōu)勢是能夠在一個試管里對上百萬個細胞進行高通量基因編輯，而過去的技術(shù)平臺需要不同實驗來對每個基因變異進行編輯。
“現(xiàn)有的技術(shù)進步讓我們不但能夠?qū)蚪M的每個堿基對進行測序，而且能夠?qū)λ鼈冞M行修改。但是我們?nèi)匀恍枰玫乩斫庑薷牡暮蠊?rdquo;這篇論文的資深作者、斯坦福大學(xué)遺傳學(xué)教授 Lars Steinmetz 博士說：“MAGESTIC 平臺好比讓我們在基因組這本書中對單個字符進行修改，然后觀察這種修改對文字意思的影響。而我們的供體募集手段讓需要添加的新信息被精確放置到剪切出現(xiàn)的那一頁中。”
參考資料：
[1] Taking CRISPR from clipping scissors to word processor
[2] Multiplexed precision genome editing with trackable genomic barcodes in yeast
CRISPR
來源：藥明康德
