一种新的基因编辑器使用跳跃基因进行精确的DNA整合

哥伦比亚大学Vagelos内科和外科医生学院的研究人员做出的一项新发现，可以解决当前基因编辑工具(包括CRISPR)的一个主要缺点，并为基因工程和基因治疗提供一种强有力的新方法。

他们的新技术名为INTEGRATE，使用细菌跳跃基因可靠地将任何DNA序列插入基因组，而不切割DNA。目前的基因编辑工具依赖于切割DNA，但这些切割可能会导致错误。

“目前的工具就像分子剪刀：它们剪切DNA，但实际编辑是由细胞本身的DNA修复机器完成的，”哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学助理教授、新研究的高级作者Sam Sternberg博士说。“你完全可以完成这项工作。”今天在线发表在《自然》杂志上的新集成技术更像分子胶水，而不是分子剪刀。

“整合不是引入DNA断裂并依赖细胞修复它们，而是将用户定义的DNA序列直接插入基因组的精确位置，这是分子生物学家几十年来一直在寻求的能力，”Sternberg最近说。从加州大学伯克利分校的詹妮弗多娜实验室招募到哥伦比亚大学。

现在的工具都很挑剔。

用目前的工具编辑一个细胞的基因组，就像用文字处理器编辑一个巨大的文档，但是用的是有自己想法的软件。通常，研究人员希望在特定的DNA碱基序列上进行小的改变，以保持基因组的其余部分不变。目前，最好的工具是使用细菌CRISPR-Cas系统的组件构建的，它以特定的序列切割两股DNA分子，例如在一段文本中添加一个段落。

这些中断只是起点：实际的“编辑”是由细胞自身的DNA修复机制完成的，通常使用研究人员提供的DNA序列来填补缺口。

依赖细胞的修复机制有很大的局限性。许多细胞错误地修复DNA断裂或在此过程中引入错误，其他细胞甚至可能不表达插入新基因有效载荷所需的修复机制。此外，DNA断裂导致DNA损伤反应，可能导致其他不良反应。

这使得一些细胞类型中的基因编辑变得困难或不可能，并严重限制了研究人员以安全的方式引入精确的基因修饰的能力。INTEGRATE系统通过独立的DNA编辑系统解决了这个问题——这个系统来自霍乱弧菌——通过使用跳跃基因的新工作，不需要任何细胞的帮助。

CRISPR是一种非常多样的细菌自然防御系统。为了找到新的基因编辑工具，斯腾伯格和三名研究生寻找细菌，以找到经过充分研究的CRISPR-Cas系统的变体，这些变体具有不同寻常的特征，可以揭示新的工具能力。

这一搜索使它们成为霍乱弧菌中发现的转座子或“跳跃基因”。这种转座子选择细菌的CRISPR-Cas系统，该系统通常用于阻止遗传元件的移动，并将其自身插入细菌基因组的不同区域。

Sternberg和他的学生发现转座子整合到细菌基因组的特定位点，不是通过将DNA切割成两个，而是通过使用一种单独的酶将转座子滑入基因组。重要的是，酶(整合酶)插入DNA的位点完全由其相关的CRISPR系统控制。

研究人员利用这一发现创造了一种基因编辑工具，可以通过编程将任何DNA序列插入细菌基因组的任何位点。像CRISPR一样，整合酶通过引导RNA找到正确的位点。

通过对RNA进行重新编程，斯腾伯格和他的学生可以精确控制供体DNA整合的位置。通过用其他DNA有效载荷替换转座子序列，他们可以将多达10，000个碱基的序列插入细菌基因组。因此，与其他基于集成的编辑工具不同，INTEGRATE technology是迄今为止研究的第一个完全可编程的插入系统。

对编辑后的细菌进行测序，证实有效载荷插入准确，非靶位置没有多余的拷贝。改进的基因编辑使用INTEGRATE，一组酶可以执行整个DNA整合过程，并可靠地将任何DNA有效载荷插入细胞基因组中的精确位置，而不依赖于宿主细胞的DNA修复机制。

这项技术应该能够提供广泛的新基因编辑机会。许多生物技术产品，包括基因和细胞疗法、工程作物和生物制剂，需要准确整合大量的基因有效载荷。

INTEGRATE技术提供了一种全新的方法，具有与CRISPR-Cas9相同的可编程性和易用性，但没有与DNA断裂相关的副作用。

“我们可以对这个CRISPR转座子系统进行编程，将其遗传负载整合到几乎任何基因组位点，通过了解它的工作原理，我们将能够将其设计得更有效，”Sternberg说。

接下来，Sternberg的团队利用细菌遗传学实验开发了整合技术，现在他们正在测试其他细胞类型，包括哺乳动物细胞。

基于CRISPR-Cas9技术的发展轨迹，Sternberg表示，有充分的理由相信，精确的DNA整合在哺乳动物细胞中会像在大肠杆菌中一样有效，为基础研究使用和最终临床应用打开大门。Sam Sternberg是哥伦比亚大学Vagelos内科和外科医学院生物化学和分子生物物理系的助理教授。

Sanne E. Klompe、Phuc LH Vo和Tyler S. Halpin-Healy是哥伦比亚大学文理研究生院生物医学专业的博士候选人，代表“通过引导RNA靶向插入转座因子”。这篇题为《转座子编码的CRISPR-Cas系统直接RNA指导DNA整合》的论文于6月12日在线发表在《自然》杂志上。

该研究由哥伦比亚大学Vagelos内外科医生学院的启动基金和哥伦比亚大学Vagelos精准医疗基金的试点基金资助。

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