研究人員揭示了一種新的基因工程工具的分子細(xì)?

在過去的幾年里，CRISPR-Cas9已經(jīng)超越了實(shí)驗(yàn)室工作臺，進(jìn)入了公共精神時代。這種基因編輯工具CRISPR-Cas9有望糾正單個細(xì)胞的缺陷，并可能治愈或預(yù)防許多人類疾病。然而，Cas9系統(tǒng)改變的是DNA，而不是RNA，一些專家認(rèn)為，能夠最終修飾RNA可能同樣有用。

現(xiàn)在，索爾克研究所的科學(xué)家們首次報道了CRISPR-Cas13d的詳細(xì)分子結(jié)構(gòu)，這是一種有希望用于新興RNA編輯技術(shù)的酶。他們可以通過冷凍電鏡(cryo-EM)來可視化這種酶，這是一種尖端技術(shù)，使研究人員能夠以前所未有的細(xì)節(jié)捕捉復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果于2018年9月20日發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上。

“這篇論文為RNA靶向基因工程提供了一個分子藍(lán)圖，”結(jié)構(gòu)生物學(xué)家、這項(xiàng)研究的相應(yīng)作者之一Salk的助理教授Dmitry Lyumkis說。"它為這項(xiàng)重要的生物醫(yī)學(xué)研究增加了廣泛的工具."

CRISPR起源于最初在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的基因，被描述為“分子剪刀”或“活細(xì)胞的文字處理程序”。它將一段遺傳密碼替換成另一段。在CRISPR-Cas9系統(tǒng)中，Cas9是一種切割DNA的酶。然而，帶有核糖核酸的編輯工具將允許科學(xué)家修改基因的活動，而不會永久地——可能是危險地——改變基因本身。

“DNA是不可改變的，但從DNA復(fù)制而來的RNA的信息總是在變化的，”Salk的研究助理Silvana Konermann說，他是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的Hannah Gray研究員，也是這項(xiàng)研究的首批作者之一。“通過直接控制RNA來調(diào)控這些信息，對于影響細(xì)胞的命運(yùn)具有重要意義?！?

今年早些時候，科勒曼和赫爾姆斯利-索爾克研究人員帕特里克許發(fā)表了另一篇關(guān)于細(xì)胞的論文，該論文發(fā)現(xiàn)了一個名為CRISPR-Cas13d的酶家族，并報告說這種替代的CRISPR系統(tǒng)在識別和切割核糖核酸方面是有效的。該團(tuán)隊還表明，這種工具可以用來糾正癡呆癥患者細(xì)胞中蛋白質(zhì)的不平衡。

這項(xiàng)新的研究是Lyumkis和Hsu實(shí)驗(yàn)室的合作，基于Cas13d家族的發(fā)現(xiàn)，并提供了解釋其工作原理的分子細(xì)節(jié)。

“在我們之前的論文中，我們發(fā)現(xiàn)了一個新的CRISPR家族，它可以用來直接在人類細(xì)胞內(nèi)部設(shè)計RNA，”這項(xiàng)新工作的另一位作者Hsu說。“現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠可視化Cas13d的結(jié)構(gòu)，我們可以更詳細(xì)地看到這種酶是如何被引導(dǎo)到RNA的，以及它是如何切割RNA的。這些見解使我們能夠改進(jìn)系統(tǒng)，使這一過程更加有效，為治療基于RNA的疾病的新策略鋪平了道路?！?

該團(tuán)隊使用cryo-EM，通過在不同的動態(tài)狀態(tài)下冷凍酶，向Cas13d揭示了新的細(xì)節(jié)，這使得研究人員能夠解碼一系列活動，而不是在某個時間點(diǎn)只看到一個活動。

“這使我們能夠看到Cas13d是如何引導(dǎo)、結(jié)合和靶向RNA的，”Lyumkis實(shí)驗(yàn)室的研究助理、該論文的另一位第一作者張成說?！拔覀兿Ｍ@些新知識能夠幫助拓展基因編輯工具的功能?！?

本文的其他作者是尼古拉斯布里多和索爾克的彼得洛菲；白石生物醫(yī)學(xué)研究所吳；斯克里普斯研究所的斯科特諾維克、迪莫西斯特魯曾伯格和帕特里克格里芬。

這項(xiàng)工作得到了霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所漢娜h格雷獎學(xué)金的資助；海倫海惠特尼基金會獎學(xué)金；美國國立衛(wèi)生研究院授予NIH-NCI CCSG P30 014195、DP5 OD021369、DP5 OD021396和U54GM103368。赫爾姆斯利慈善信托基金會。

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