科学家观察到酶是如何"编辑"DNA的?
时间:2017/05/10

日前,一个国际研究小组在了解酶如何“编辑”基因方面取得了重要进展:观察到了一类被称为 CRISPR 的酶绑定并改变 DNA 结构的过程。这项刊登在《国家科学院学报》(PNAS)上的研究成果有望为纠正人类的遗传疾病铺平道路。


CRISPR 意即“成簇的规律间隔的短回文重复”,在上世纪 80 年代才首次为人们所认知。到目前为止,已发现 40% 已测序细菌和 90% 已测序古细菌的基因组存在这种重复序列,而且细菌已开发出一套可以探测和切断外来 DNA 的免疫策略。其机理大致如此: CRISPR 序列与很多病毒、噬菌体或者质粒的 DNA 序列同源,受到攻击的细菌会以相匹配的 DNA 为目标进行自然防御。它们所采用的手段,就是利用一种名为 Cas9 的内切酶,裂解外来 DNA 。


基因工程师们意识到,如果将细菌的 CRISPR-Cas9 系统插入其它生物体细胞,它们也能够对目标 DNA 进行切割。就在去年,这一革命性的基因编辑技术收获了一系列成果:多个研究团队已经成功对人体、小鼠、斑马鱼、大米、小麦等细胞中的基因进行删除、添加、激活或抑制等操作,从而证明该技术的广泛适用性。


不过,人类基因组有 30 亿个碱基对,要准确锁定某个目标 DNA ,工作量大致相当于从一套 23 卷的《百科全书》中找出一个拼错的单词。因此,研究人员为 Cas9 这把“基因剪刀”找了一个与目标基因匹配的RNA(核糖核酸)作为“导航仪”。在这个靶向过程中, Cas9 拉开 DNA 链,并插入RNA,使之形成了一个被称为R环的特定序列结构。


在最新研究中,英国布里斯托尔大学和立陶宛生物技术研究所的科学家使用经过特别改装的显微镜对 R 环模型进行了检测。显微镜下的单个 DNA 分子被磁场拉伸着,通过改变 DNA 受到的扭力,他们能够直接观测由单个 CRISPR 酶介导R环形成的过程。这使得这个过程中以前不为人知的一些步骤毕现无疑,也让研究人员能够探讨 DNA 碱基对序列对R环形成的影响。


论文第一作者、布里斯托尔大学生物化学系教授 Mark Szczelkun 表示:“我们进行的单分子实验加深了有关 DNA 序列对 R 环形成的影响的认识。这将有助于未来合理地重新设计 CRISPR 酶,以提高其精确度,将脱靶效应(即在不需要的地方引起基因变异)降至最低。这对我们最终利用这些工具来纠正患者的遗传疾病至关重要。”
 

原文检索:

Mark D. Szczelkun, Maria S. Tikhomirova, Tomas Sinkunas, Giedrius Gasiunas, Tautvydas Karvelis,Patrizia Pschera, Virginijus Siksnys, and Ralf Seidel. Direct observation of R-loop formation by single RNA-guided Cas9 and Cascade effector complexes. PNAS, May 27, 2014; doi:10.1073/pnas.1402597111