新的基因编辑利用跳跃基因进行精确的DNA集成

研究人员在哥伦比亚大学Vagelos医生和外科医生的新发现可以解决当前基因编辑工具的主要缺点，包括CRISPR，并为基因工程和基因治疗提供了一种强大的新方法。

他们的新技术称为集成，利用细菌跳跃基因可靠地将任何DNA序列插入到基因组中而不切割DNA。目前的基因编辑工具依赖于切割DNA，但这些切口可能导致错误。

“当前工具就像分子剪刀：他们切断DNA，但实际的编辑是通过细胞自身的DNA修复机制进行的，”说山姆斯特恩贝格，博士哥伦比亚生物化学和分子生物物理学助理教授，新研究的高级作者。“你是在怜悯细胞完成工作。”

新的集成技术，今天在线发布在线自然它的功能更像分子胶，而不是分子剪刀。

“而不是引入DNA断裂并依赖于细胞来修复断裂，直接在基因组中的精确位置直接插入用户定义的DNA序列，其中分子生物学家追求几十年的能力，”最近是斯特恩伯格说recruited to Columbia from Jennifer Doudna’s laboratory at UC Berkeley.

目前的工具是Finichy

用现有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，但是用的是有自己思想的软件。通常情况下，研究人员希望在一个特定的DNA碱基序列上做一个小的改变，而不触及基因组的其他部分。目前最好的工具是由一种细菌CRISPR-Cas系统组成的，它可以按照特定的序列切断DNA分子的两条链，就像在一段文本中添加段落分隔符一样。

这些断裂仅是起点：实际“编辑”由细胞自己的DNA修复机械执行，通常使用由研究人员提供的DNA序列来填充间隙。

依靠细胞的修复机制有很大的局限性。许多细胞不正确地修复DNA断裂或在修复过程中引入错误，而其他细胞甚至可能无法表达必要的修复机制来插入新的基因载荷。此外，DNA断裂会引发DNA损伤反应，这可能会产生其他不利影响。

这使得基因编辑在某些细胞类型中难以或不可能，严重限制研究人员以安全的方式引入精确的遗传修饰。

整合系统利用跳跃基因

这项新工作通过一个独立的DNA编辑系统解决了这个问题，这个系统来自霍乱弧菌，不需要任何细胞的帮助。

CRISPR是一类细菌中的自然防御系统，这些系统都是非常多样化的。为了查找新的基因编辑工具，斯特恩伯格和三位研究生看着细菌可以找到良好的CRISPR-CAS系统的变化，具有揭示新工具能力的不寻常的特性。

这项研究使他们找到了霍乱弧菌中的转座子或“跳跃基因”。这种转座子利用了细菌的CRISPR-Cas系统，将自身插入细菌基因组的不同区域。

斯特恩伯格和他的学生发现，转座子整合到细菌基因组的特定位置，不是通过将DNA切成两段，而是通过使用一种单独的酶将转座子插入基因组。重要的是，这种整合酶插入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建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置。像CRISPR一样，整合酶通过引导RNA找到合适的位点。

通过重新编程指南RNA，Sternberg和他的学生能够精确控制整合捐赠DNA的位置。并通过与其他DNA有效载荷替换转座子序列，它们可以插入序列多达10,000个碱基长成了一个细菌基因组。因此，与基于积分存储的其他编辑工具不同，集成技术是第一个全部可编程插入系统，迄今为止。

对编辑过的细菌进行测序，证实有效载荷被精确地插入，在脱靶位点没有额外的副本。

改进基因编辑

通过集成，一组酶可以进行整个DNA积分过程，可将任意DNA有效载荷可靠地插入细胞基因组内的精确位置，而不依赖于宿主细胞的DNA修复机械。

这项技术应该能提供大量新的基因编辑机会。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，都需要大规模基因有效载荷的精确整合。

整合技术提供了一种新的新方法，具有相同的可编程性和易用性，作为CRISPR-CAS9，但没有与DNA断裂相关的不利影响。

Sternberg说:“我们可以对crispr -转座子系统进行编程，使其在几乎任何基因组位点上整合其基因载荷，通过了解它的工作原理，我们将能够对其进行设计，使其更有效。”

下一步

斯特恩伯格的团队利用细菌遗传学实验开发了集成技术，他们现在正在其他细胞类型中测试，包括哺乳动物细胞。

根据CRISPR-Cas9技术的发展轨迹，Sternberg说，有很好的理由相信，精确的DNA整合将在哺乳动物细胞中像在大肠杆菌中一样有效，为基础研究应用和最终临床应用打开大门。