“升级版”CRISPR工具的第一张图片

哥伦比亚大学的科学家捕捉到了一种新的基因编辑工具的首批图像，该工具可以改进现有的基于crispr的工具。在发现了一种独特的“跳跃基因”后，该团队开发了这种名为INTEGRATE的工具霍乱弧菌这种细菌可以在不引起DNA断裂的情况下在基因组中插入大量的遗传有效载荷。

在这项新研究中，今天发表在《自然》杂志上在美国，研究人员利用一种被称为冷冻电子显微镜的诺贝尔奖获奖技术来冻结基因编辑复合物，揭示了其工作原理的高分辨率细节。

“我们在第一项研究中展示了如何利用INTEGRATE在细菌细胞中进行靶向DNA插入，”他说萨姆斯特恩伯格博士，哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医生学院生物化学和分子生物物理学助理教授，他与哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学助理教授Israel Fernandez博士一起领导了这项研究。“这些新图像是与以色列Fernández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进系统。”

像CRISPR一样开始，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样本，并用电子轰击它。然后，他们用电子显微镜捕捉到的图像生成了INTEGRATE系统的原子分辨率模型。

结构模型表明，该复合体由两个主要部分组成，它们呈螺旋状丝状排列。较大的部分被称为Cascade，环绕并携带一种引导RNA，用于扫描细胞中匹配的DNA序列。一旦它定位并结合目标序列，它将DNA链穿过位于复合物末端的TniQ“转位”蛋白，并招募其他帮助修饰DNA的酶。

INTEGRATE的扫描机制似乎与其他经过充分研究的CRISPR系统的工作方式相似，其中一些系统也包含带有引导RNA的级联复合体。然而，与其他使用Cascade靶向DNA进行切割的CRISPR系统不同，INTEGRATE内Cascade的功能是靶向DNA进行高度精确的遗传有效载荷插入。

“在这种规模上可视化生物学确实令人惊叹，即使是那些不熟悉这个主题的人也很容易兴奋。这项工作的质量和完成的速度，是由山姆和以色列这样的伟大导师所提供的合作环境的象征，”泰勒·哈尔平-希利说，他是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项目的博士生，也是这项研究的第一作者。

在他们之前的研究中，Sternberg和他的同事们利用遗传学和生物化学提出了CRISPR机制如何与转位机制(负责基因“跳跃”的分子)在功能上联系起来，这项研究证明了他们的假设是正确的。

为什么这很重要

世界各地的许多研究人员现在使用CRISPR-Cas9快速、廉价地对细胞的基因组进行精确修改。然而，CRISPR的大多数应用都涉及切断目标DNA的两条链，然后DNA断裂必须由宿主细胞自身的机制修复。控制这一修复过程仍然是该领域的主要挑战，不希望的基因编辑经常在不经意间引入基因组。此外，现有的工具在以精确的方式插入大量基因有效载荷方面通常表现不佳。提高基因编辑的准确性是研究人员的首要任务，对于确保使用该技术开发的治疗方法的安全性至关重要。

由Sternberg实验室开发的新的INTEGRATE系统可以精确地插入大的DNA序列，而不依赖于细胞的机械来修复链。因此，与广泛使用的原始CRISPR-Cas系统相比，INTEGRATE可能被证明是一种更准确、更有效的方式来进行某些基因修饰。这种新工具还可以帮助科学家对DNA修复活性有限的细胞类型(如神经元)进行基因编辑，在这些细胞类型中，使用CRISPR的尝试相对不太成功。

接下来是什么

除了告知未来的工程工作，这些结构突出了一个可能的校对检查点。现有的CRISPR技术经常遭受所谓的“脱靶效应”，即无意的序列被杂乱地修改。新的结构揭示了Cascade和TniQ如何协同工作，以确保只有正确的“目标”序列被标记为DNA插入。研究人员计划进一步探索这个检查点，同时开发新的疾病治疗方法的工具。