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受自然启发的CRISPR酶用于广泛的基因组编辑

受自然启发的CRISPR酶用于广泛的基因组编辑

在自然界中,细菌利用CRISPR作为一种适应性免疫系统来保护自己免受病毒的侵害。在过去的十年中,科学家们成功地利用了这一自然现象,在细菌中发现了CRISPR蛋白质,其中最广泛使用的是Cas9酶。通过与引导RNA结合,Cas9能够靶向、切割和降解特定的DNA序列。

从基因疾病的治疗到农作物的营养价值,CRISPR已成为最有前途的基因组编辑工具之一。然而,Cas9酶依赖于特定的DNA邮政编码来确定切割和编辑的位置。在化脓性链球菌中使用最广泛的Cas9, SpCas9,在靶位点旁需要两个“G”核苷酸。不到10%的DNA序列符合这一要求。

在本月发表的研究在这两个自然生物技术和自然交流,一组计算生物学家媒体实验室的分子机器组和麻省理工的比特和原子中心已经成功地设计新的蛋白质与基因组编辑功能,增强显著扩大DNA序列的光谱,可以准确、有效地访问。

这项工作是由Pranam Chatterjee领导的,他最近刚获得媒体艺术和科学博士学位;诺亚Jakimo博士。'19,媒体实验室附属机构;媒体实验室副教授约瑟夫·雅各布森与马萨诸塞大学医学院的实验室成员和研究人员合作。

这些新发现源于该小组在计算发现Cas9蛋白方面的早期突破性工作。研究小组从犬链球菌(Streptococcus canis bacteria, ScCas9)中鉴定出Cas9并对其进行了实验表征,该细菌虽然与SpCas9相似,但具有靶向范围更广的目标DNA序列的能力。这一发现将Cas9酶的作用位点从原来基因组的10%扩展到了近50%。该团队于2018年在《科学进展》杂志上首次报道了这些发现。

为了改进ScCas9作为基因组编辑工具的功能,科学家们通过计算从类似的Cas9蛋白质中识别出独特的部分,从而设计出优化版的ScCas9,该团队将其命名为Sc 。

“Sc 是第一个已知的酶,同时显示三个性质被认为是有效的基因组编辑必不可少的:广泛的靶向能力;健壮的削减活动;并且由于偏离目标而造成的误差最小,”Chatterjee说。

同时,该团队成功地利用之前的SPAMALOT算法发现了macacae链球菌Cas9 (SmacCas9),它需要两个“A”核苷酸,而不是两个“G”。通过域交换和进一步的工程设计,该团队将这种新的iSpyMac酶作为第一个已知的不需要“G”的Cas9编辑器呈现出来,从而能够针对之前无法访问的另外20%的基因组。

“为了设计iSpyMac,我们同时对SpCas9进行了数百次修改,因为我们知道即使是一次修改也会破坏它,”第二项研究的资深作者Jakimo说。“我们的成功是对丰富的微生物基因组数据的证明,这些数据可以通过SPAMALOT等工具提供有关蛋白质功能的有用线索。”

麻省大学医学院(University of Massachusetts Medical School) RNA治疗研究所(RNA Therapeutics Institute)教授、副主席、这项研究的合作者埃里克·松特海默(Erik Sontheimer)指出了这项研究的重要性。“我们遇到的靶向性限制越少,在活性和准确性之间必须做出的妥协和权衡越少,CRISPR基因组编辑对生物技术和人类健康的影响就越大。”这就是为什么Sc 和iSpyMac为CRISPR编辑库提供了如此有价值的新功能。”

由于世界各地的实验室已经开始使用这种酶来成功地编辑各种生物的基因组,从水稻到兔子,这项研究的下一个目标将是开发工具,以达到剩下的30%的基因组序列。Chatterjee与苏黎世大学(University of Zurich)合作,正在寻求最终的进展,使科学家能够获得任何基因组序列,并在治疗遗传性疾病时解决任何类型的基因突变问题。

然而,就像麻省理工学院校园内的许多实验室一样,目前的工作重点是应对COVID-19大流行。Chatterjee和媒介实验室的研究团队利用计算设计原理来设计能够靶向并结合入侵的SARS-CoV-2病毒的蛋白质,他们正在寻找能够快速阻止病毒并使细胞恢复的酶。

“我们以不同的方式设计蛋白质,”Chatterjee补充道。“我们整合计算和实验的能力,使我们能够优化算法,并为一系列应用程序构建有效的工具,从解决遗传疾病到COVID-19,等等。”

这篇文章由麻省理工学院新闻网站(web.mit.edu/newsoffice/)转载,这是一个涵盖麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。

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