诺奖得主Doudna团队重磅研究:在数千种病毒中,发现潜在基因编辑工具

学术经纬 2022-11-25 07:31

▎药明康德内容团队编辑 


日前,由基因编辑领域先驱Jennifer Doudna教授领衔的一项重磅研究在顶尖学术期刊《细胞》上线,并且同时引起了《自然》《科学》等诸多杂志的关注。


这项新研究在数千种病毒中发现了大量基于CRISPR的潜在基因编辑工具。一些专家在评论文章中指出,新研究是“发现CRISPR-Cas系统具有巨大多样性的重要一步”,“为CRISPR系统可能的新应用打开了大门”。



加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的Jennifer Doudna教授因发现CRISPR基因编辑系统而在2020年荣获诺贝尔化学奖。她与合作者在2012年发现,细菌和古细菌中找到的CRISPR能用于基因组编辑。


在细菌和古细菌中,这套系统通常用来防御病毒感染。它由特殊的CRISPR序列、CRISPR相关蛋白(Cas蛋白)和RNA组成,能够捕获入侵病毒的基因组片段,并将序列存储在自己基因组中,再次遇到同样的病毒时,就可以识别并切割相应的DNA。


而经过科学家的改造,细菌的这套“免疫系统”可以用来精确瞄准特定的DNA序列,然后“定点”剪开,进而实现对基因组的高效编辑。


现在,科学家发现,基于CRISPR的基因组编辑工具还有新的来源,并有望激发新的生物技术


此次研究的通讯作者Jennifer Doudna教授和Jillian Banfield教授(图片来源:加州大学伯克利分校)


此次的新研究中,Doudna教授和同事Jillian Banfield教授等人发现,自然界中有些病毒实际上早已从它们感染的细菌那里“偷”来了这套基因剪切系统通过对病毒基因组的全面搜索,研究团队发现了6000多种病毒含有CRISPR系统


新发现的这些CRISPR系统涵盖了全部6种已知的CRISPR-Cas类型。相比一般的CRISPR-Cas结构,病毒中的这些CRISPR系统显现出广泛的变化。有些缺乏关键成分,有些则更为紧凑。


研究示意图(图片来源:参考资料[1])


在不同类型的病毒中,把细菌作为宿主的病毒又被称为噬菌体。而CRISPR系统则是细菌中的抗病毒系统。噬菌体从细菌那儿搞来这套用来对付自己的CRISPR系统,究竟是派什么用场的呢


根据Doudna教授的分析,最可能的原因是击败竞争对手。因为多种病毒可能同时攻击同一种细菌,导致受感染细胞内的“噬菌体战争”。细菌还容易受到质粒的影响,被迫复制质粒中的DNA链。而从细菌宿主那里“偷”来CRISPR系统的噬菌体,可以摧毁竞争对手,让细菌为自己提供独家服务。


细菌和噬菌体的CRISPR-Cas“抗病毒”系统(图片来源:参考资料[1])


而此次发现最为引人关注的是,噬菌体中的CRISPR系统在应用于基因组编辑时具备特殊的优势:病毒用来切割DNA的Cas酶非常小,而较小的酶更容易被送入细胞。


例如研究人员发现,许多噬菌体拥有一种“瘦身版”Cas酶:Casλ,体积大约只有Cas9的一半。通过冷冻电子显微镜,研究人员确定了Casλ-RNA-DNA结构,显示出紧凑的双叶结构。


Casλ-RNA-DNA复合物的结构(图片来源:参考资料[1])


此次研究中,这些新来源的CRISPR-Cas酶有一部分也已经在多种类型的细胞中展现了基因组编辑的潜力,包括人类细胞和植物细胞(如拟南芥和六倍体小麦)。


Doudna教授指出,尽管研究人员在自然界中已经找到一些较小的Cas酶,但目前为止,这些酶在基因组编辑应用的效率上还不令人满意。相比之下,一些病毒Casλ酶兼具小巧和高效的优势


过去的十年里,从细菌体内的“免疫系统”,到修改人类生命天书的“基因魔剪”,基于CRISPR系统的基因编辑技术已经带来了深远影响。现在,随着科学家们发现更多的新类型Cas蛋白,对CRISPR系统的不断优化,有理由相信基因组编辑的下一个十年将打开更多可能性。


相关阅读:CRISPR十周年:这是它未来的四个发展方向

参考资料:

[1] Basem Al-Shayeb et al., Diverse virus-encoded CRISPR-Cas systems include streamlined genome editors. Cell (2022) https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.020

[2] CRISPR tools found in thousands of viruses could boost gene editing. Retrieved Nov. 24, 2022 from https://www.nature.com/articles/d41586-022-03837-8

[3] CRISPR is so popular even viruses may use it. Retrieved Nov. 24, 2022 from https://www.science.org/content/article/crispr-so-popular-even-viruses-may-use-it



本文来自药明康德内容微信团队,欢迎转发到朋友圈,谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求,请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求,请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。


免责声明:药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的,文中观点不代表药明康德立场,亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导,请前往正规医院就诊。




更多推荐






点个“在看”再走吧~

推荐阅读