電腦演算法辨識出188 種新的CRISPR 基因編輯系統
CRISPR 系統是基因工程的強大工具,但也有其限制。現在,科學家在細菌的原生棲息地發現了近200 種新的CRISPR 系統,並發現其中一些系統可以比現有系統更精確地編輯人類細胞。
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CRISPR-Cas9 基因編輯工具是過去十年中最重要的科學發展之一,它的發現者因此獲得了諾貝爾化學獎。科學家可以利用它對人體細胞進行高效的剪切和粘貼編輯,從而有可能治療多種疾病,以及改良作物、控制害蟲和操縱細菌。
該系統包含一個引導RNA,該引導RNA 以DNA 片段(如致病DNA 片段)為目標,然後使用一種酶(通常是Cas9)剪切掉該序列,並用更有益的東西取而代之。最近,人們開發了具有其他特性的Cas9 替代品,包括更高的精確度或更大的編輯範圍。
現在,這個家族有可能變得更大。布羅德研究所、麻省理工學院和美國國立衛生研究院(NIH)的研究人員使用一種演算法來尋找新的CRISPR系統。在自然界中,CRISPR是細菌使用的自衛工具,因此研究小組對三個細菌資料庫進行了深入研究,這些細菌存在於南極湖泊、釀酒廠和狗的唾液等不同環境中。在這種情況下,研究小組將演算法設定為尋找與CRISPR相關的基因。
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幾週內,該系統就辨識出了數千個CRISPR系統,其中包括188個科學界以前未知的系統。在實驗室測試中,它們展示了一系列功能,既屬於已知類別,也屬於全新類別。
其中有幾種屬於I 型CRISPR 系統,它們的引導RNA 序列比Cas9 長。這意味著它們可以更精確地指向目標,降低脫靶編輯的風險–這是CRISPR基因編輯的主要問題之一。在測試中發現,其中兩個I型系統能夠編輯人體細胞,而且它們的大小應該允許它們以目前用於CRISPR-Cas9的相同包裝進行遞送。
另一種I 型系統顯示了所謂的”附帶活性”,即在與目標結合後分解核酸。這種機制先前曾用於診斷工具(如SHERLOCK),可以從只有一個DNA 或RNA 分子的樣本中識別疾病。
研究也發現了一種針對RNA 的VII 型系統,它可以透過RNA 編輯開啟一系列新工具。其他系統可用於記錄某些基因的表達時間,或作為細胞活動的感測器。
這項研究不僅大大擴展了可能的基因編輯工具領域,而且表明,探索隱藏環境中的微生物生態系統可能會為人類帶來潛在的益處。
這項研究的共同第一作者蘇米亞-卡南(Soumya Kannan)說:「其中一些微生物系統只在煤礦的水中被發現。如果不是有人對此感興趣,我們可能永遠都不會看到這些系統。擴大取樣多樣性對於繼續擴大我們發現的多樣性非常重要。”
這項研究發表在《科學》雜誌。