哥伦比亚科学家捕获了一种新的基因编辑工具的第一张照片

哥伦比亚科学家捕获了一种新的基因编辑工具的第一张照片，该工具可以在现有的基于CRISPR的工具上进行改进。该团队在霍乱弧菌细菌中发现了一个独特的“跳跃基因”后，开发了一种名为INTEGRATE的工具，该基因可以在基因组中插入大量遗传有效载荷而不引入DNA断裂。

在今天发表在《自然》杂志上的这项新研究中，研究人员利用了一项获得诺贝尔奖的技术，即冷冻电子显微镜技术来冻结基因编辑复合体的作用，从而揭示有关其工作原理的高分辨率细节。

哥伦比亚大学瓦格洛斯医师与外科医生学院生物化学与分子生物物理学助理教授萨姆·斯特恩伯格博士说：“我们在第一项研究中展示了如何利用整合来在细菌细胞中靶向DNA插入。” 哥伦比亚哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理学助理教授以色列·费尔南德斯(Israel Fernandez)博士。“这些新图像与以色列费尔南德斯实验室的精彩合作，以令人难以置信的分子细节解释了生物学，并将通过指导蛋白质工程工作来帮助我们改善系统。”

开始像CRISPR，但结局不同

研究人员使用了一种称为冷冻电子显微镜的技术，该技术涉及在液氮中快速冷冻基因编辑复合物的样品，然后用电子轰击它。然后，他们使用在电子显微镜下捕获的图像生成INTEGRATE系统的原子分辨率模型。

结构模型表明，该复合物由两个主要部分组成，这些主要部分排列成螺旋形丝状。较大的部分称为Cascade，缠绕并携带指导RNA，RNA用来扫描细胞以寻找DNA中的匹配序列。一旦它定位并结合了靶序列，它将使DNA链穿过位于复合物末端的TniQ“转座”蛋白，并募集其他有助于修饰DNA的酶。

INTEGRATE的扫描机制似乎以与其他经过充分研究的CRISPR系统类似的方式工作，其中一些还包含带有指导RNA的Cascade复合体。但是，与其他使用Cascade靶向DNA进行切割的CRISPR系统不同，INTEGRATE中Cascade的功能是靶向DNA以便基因负载的高精度插入。

“以这种规模可视化生物学确实令人惊奇，甚至可以使那些不熟悉该主题的人都容易激动。这项工作的质量和完成的速度，象征着山姆和以色列等伟大导师提供的合作环境， ”博士Tyler Halpin-Healy说哥伦比亚大学欧文医学中心细胞，分子和生物物理研究研究生课程的学生，该研究的第一作者。

在他们之前的研究中，Sternberg及其同事使用遗传学和生物化学来提出CRISPR机制如何在功能上与转座机制-负责基因“跳跃”的分子-联系起来，这项研究证明了他们的假设是正确的。

为什么重要

现在，世界各地的许多研究人员都在使用CRISPR-Cas9快速廉价地对细胞基因组进行精确修饰。但是，CRISPR的大多数用途涉及切割目标DNA的两条链，然后必须通过宿主细胞自身的机制修复DNA断裂。控制该修复过程仍然是该领域中的主要挑战，并且不希望有的基因编辑常常被无意间引入了基因组中。此外，现有工具在以精确方式插入较大的遗传有效载荷时通常效果不佳。提高基因编辑的准确性是研究人员的当务之急，对于确保使用此技术开发的疗法的安全性至关重要。

由Sternberg实验室开发的新型INTEGRATE系统可以准确地插入大的DNA序列，而无需依靠细胞的机械来修复链。结果，与广泛使用的原始CRISPR-Cas系统相比，INTEGRATE被证明是进行某些基因修饰的更准确和有效的方法。该新工具还可以帮助科学家在DNA修复活性有限的细胞类型中进行基因编辑，例如神经元，而使用CRISPR的尝试相对而言不太成功。

下一步是什么

除了通知未来的工程工作外，这些结构还强调了可能的校对检查点。现有的CRISPR技术通常会遭受所谓的“脱靶效应”，即意外修饰序列。新的结构揭示了Cascade和TniQ如何协同工作，以确保仅标记正确的“目标”序列以进行DNA插入。研究人员计划在开发用于疾病的新治疗方法的工具时进一步探索该检查点。

该论文的标题为“转座子编码的CRISPR-Cas系统靶向DNA的结构基础”，于12月18日在线发表在《自然》杂志上。

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