基因编程的进程

基因编程的进程

劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家发现了一种更有效的基因组编辑新方法，为基因工程和基因组研究者带来了福音。基因工程改造的微生物（如细菌和真菌）在生物能源和药物研发等方面起到了关键作用，而这一研究成果能为科学家提供极大的帮助。劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队发现了一种双链RNA，能指导细菌蛋白在特定位点剪切外源DNA，而且将这种双链RNA改造为单链RNA，能指导细菌蛋白对几乎所有DNA序列进行剪切。该文章发表在Science杂志上。研究人员发现的这种RNA引导的双链DNA剪切是细菌获得性免疫系统的核心。细菌和古细菌面临着病毒和质粒的不断攻击，微生物为了生存采用了以CRISPR（成簇的规律间隔的短回文重复序列）为核心的免疫系统。细菌和古细菌能够利用小crRNA分子（CRISPR-derived RNA），结合CRISPR和相关内切酶Cas蛋白（CRISPR-associated蛋白）靶标并摧毁入侵病毒和质粒的DNA。CRISPR/Cas免疫系统主要有三种类型。这里研究人员研究的是完全依赖Cas9内切酶家族来靶标和剪切外源DNA的II型CRISPR/Cas免疫系统。研究发现在这一系统中，crRNA通过碱基配对与tracrRNA（trans-activating RNA）结合，形成双链RNA。这一tracrRNA:crRNA二元复合体指导Cas9蛋白在crRNA引导序列靶标的特定位点剪切双链DNA。在与crRNA引导序列互补的位点，Cas9蛋白的HNH核酸酶结构域剪切互补链而Cas9 RuvC-like 结构域剪切非互补链。（见右图）研究人员将这种tracrRNA:crRNA二元复合体改造为单链RNA嵌合体，也能同样指导Cas9蛋白在特定位点剪切双链DNA。tracrRNA:crRNA复合体结合Cas9蛋白，并通过crRNA与目标DNA碱基配对引导Cas9蛋白到特定DNA序列，微生物通过这一机制剪切并破坏病毒和质粒，而这一系统也可以用于对基因组中目标DNA进行改造。研究人员正在深入研究这一RNA引导的剪切作用的细节，并测试这一系统是否能在真菌、线虫、植物和人类细胞等真核生物中起作用。这一机制有望成为有效的基因组改造新工具，可编程RNA引导的基因组改造为基因组编辑开辟了新途径。可编程的DNA剪刀：细菌免疫系统发现的双链RNA指导Cas9在特异位点剪切入侵DNA。人为改造这一双链RNA，可以用于进行基因组编辑。Science杂志原文摘要：A programmable dual RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunityCRISPR/Cas systems provide bacteriaand archaea with adaptiveimmunityagainst viruses and plasmids by using crRNAs to guide the silencing of invading nucleic acids. We show here that ina subset of these systems, the mature crRNA base-paired to trans-activating tracrRNA forms a two-RNA structure that directs the CRISPR-associated protein Cas9 to introduce double-stranded (ds) breaks in target DNA. At sites complementary to the crRNA-guide sequence, the Cas9 HNH nuclease domain cleaves the complementary strand while the Cas9 RuvC-like domain cleaves the noncomplementary strand. The dual-tracrRNA:crRNA, when engineered as a single RNA chimera, also directs sequence-specific Cas9 dsDNA cleavage. Our study reveals a family of endonucleases that use dual RNAs for site-specific DNA cleavage and highlights the potential to exploit the system for RNA-programmable genome editing.

2016-06-03