新型基因编辑复合物的作用机理

　　在一项新的研究中，来自美国哥伦比亚大学的研究人员捕捉到一种由对现有的基于CRISPR的工具进行改进而产生的新型基因编辑工具的首批结构图片。他们在霍乱弧菌中发现一种独特的“跳跃基因”并且这种跳跃基因可以在基因组中插入较大的基因负荷（genetic payload，即DNA序列）而不引入DNA断裂，基于此，他们开发出这种称为INTEGRATE的新型基因编辑工具。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR–Cas system”。论文通讯作者为哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科学院生物化学与分子生物物理学助理教授Samuel Sternberg博士和哥伦比亚哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理学助理教授Israel Fernandez博士。

INTEGRATE复合物的结构显示Cascade(深蓝色)、TniQ(淡蓝色)和向导RNA(红色)，图片来自Sternberg and Fernández Labs at Columbia University Irving Medical Center。

　　在这项新的研究中，这些研究人员利用低温电镜技术冻存正在发挥作用时的这种基因编辑复合物，从而揭示它的工作原理的高分辨率细节。

　　Sternberg说，“我们在我们之前的研究中展示了如何利用INTEGRATE在细菌细胞中进行靶DNA插入。这些新的图片以令人难以置信的分子细节揭示这种基因编辑复合物的生物学机制，这有助于我们进一步改进这种基因编辑系统。”

　　开始时与CRISPR一样，但是结局不同

　　这些研究人员使用了一种称为低温电镜的技术，该技术涉及在液氮中快速冷冻这种基因编辑复合物样品，然后用电子轰击它。他们随后使用在电子显微镜下捕获的图片产生这种INTEGRATE系统的原子分辨率结构模型。

　　这种结构模型揭示这种基因编辑复合物由两个主要部分组成，这两个主要部分排列成螺旋丝状结构。在这两个主要部分中，较大的部分称为Cascade，缠绕并携带向导RNA（gRNA），用于扫描细胞中匹配的DNA序列。一旦Cascade定位并结合了靶序列，它将使DNA链穿过位于这种基因编辑复合物末端的TniQ“转座”蛋白，并招募其他有助于修饰靶DNA序列的酶。

　　INTEGRATE的这种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，其中的一些CRISPR系统也含有带有gRNA的Cascade复合物。但是，与其他使用Cascade靶向DNA进行切割的CRISPR系统不同的是，INTEGRATE中Cascade的功能是靶向DNA以便基因负载的高精度插入。

　　在之前的研究中，Sternberg及其同事们通过使用遗传学和生物化学提出这种CRISPR分子机器如何在功能上与转座复合物---负责基因“跳跃”的分子---存在关联，这项新的研究证实他们提出的这种观点是正确的。

　　为何重要？

　　如今，世界各地的许多科学家们都在使用CRISPR-Cas9来快速低成本地对细胞基因组进行精确修饰。但是，CRISPR的大多数用途涉及切割靶DNA的两条链，然后必须通过宿主细胞自身的分子机器修复DNA断裂。控制这种修复过程仍然是这个领域中的主要挑战，并且不想要的基因编辑常常被无意间引入了基因组中。此外，现有工具在精确地插入较大的基因负荷方面通常表现不佳。提高基因编辑的准确性是人们的当务之急，这对于确保使用这种技术开发的疗法的安全性至关重要。

　　这种由Sternberg实验室开发的新型INTEGRATE系统可以准确地插入较大的DNA序列，而无需依靠细胞的分子机器来修复断裂的DNA链。因此，相比于目前广泛使用的原始CRISPR-Cas系统，INTEGRATE被证明是一种更准确、更有效的基因修饰方法。这种新工具还可以帮助科学家们在DNA修复活性有限的细胞类型（比如神经元）中进行基因编辑。在神经元中，使用CRISPR进行基因编辑的尝试相对而言不太成功。

　　下一步是什么

　　除了为未来的蛋白质工程提供信息之外，这些新结构突出了一个可能的校对检查点。现有的CRISPR技术经常出现所谓的“脱靶效应”，即不加区分地对非靶序列进行修饰。这些新结构揭示了Cascade和TniQ如何协同工作，从而确保仅将DNA片段插入到正确的 “在靶（on-target）”序列中。这些研究人员计划在开发用于疾病的新治疗方法的工具时进一步探究这个检查点。