新型显微镜技术让CRISPR-Cas系统如虎添翼

发布日期:2022-03-11
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出自: 新型显微镜技术让CRISPR-Cas系统如虎添翼https://www.optical17.com/news/2680/

一项新的研究描述了康奈尔大学研究人员的跨学科团队如何使用最先进的显微镜技术来揭示 CRISPR-Cas 系统的蛋白质结构和关键步骤,该系统有望开发出改进的基因编辑工具。

最终,这些发现可能会产生一个可靠的 CRISPR-Cas 系统,使科学家能够以比现有技术更精确的方式将更多的遗传信息货物插入细胞中,这对研究和治疗人类疾病具有深远的影响,与此同时NIST的科研人员实现了显微镜的高精度校准

该研究的重点是 CRISPR 相关转座子,这是一组细菌“跳跃基因”,其中包含细菌用来识别和禁用病毒的天然存在的 CRISPR-Cas 系统。

TnsC 细丝的低温电子显微镜图像

TnsC 细丝的低温电子显微镜图像。(图片由凯洛格实验室/提供)

农业学院微生物学教授约瑟夫·彼得斯 ( Joseph Peters ) 说:“我们发现了这一过程如何以这样一种方式发生的巨大缺失环节,我们现在可以对其进行工程改造,使其更有可能在人体细胞中实际发挥作用。”生命科学,以及该论文的共同高级作者。

“基于结构的蛋白质设计可以做很多事情,因为当您了解所有事物如何相互作用的物理学时,您就可以精确和准确地修改该系统,”分子生物学助理教授伊丽莎白凯洛格说。艺术与科学学院的遗传学和该研究的另一位共同高级作者。“现在我们已经了解了它在其功能周期中的运作方式,我们可以开始对其进行修改。”

在自然界中,细菌在免疫防御中使用 CRISPR-Cas 系统。所有的 CRISPR 系统都使用 CRISPR RNA 作为指导,尽管每个系统如何定位其目标的细节差异很大。RNA 是最常用于将遗传信息从 DNA 传递到蛋白质的分子,它已被修改为指导 CRISPR 相关蛋白(Cas 蛋白)到精确的病毒 DNA 串的指导。一旦定位,Cas蛋白就会切割DNA并使病毒失效。在过去的十年中,科学家们选择了 CRISPR-Cas 系统来编辑基因,方法是在精确位置切割 DNA 并插入工程序列。

转座子或跳跃基因,由诺贝尔奖获得者 Barbara McClintock '23, MA '25, Ph.D 于 1940 年代首次发现。'27,有能力在基因组中跳跃和复制。彼得斯在 2017 年发现,一些转座子已采用 CRISPR-Cas 细菌免疫系统,它们用于在细菌之间和细菌物种之间转移遗传物质。这项研究的重点是转座子采用的一种 CRISPR-Cas 系统,该系统有望开发一种新的基因编辑技术,该技术可以比现有方法更高效、更准确地提供更大的遗传物质有效载荷。

DIC-950微分干涉相衬显微镜

DIC-950微分干涉相衬显微镜

Kellogg 的实验室专门研究低温电子显微镜的使用。在这项研究中,Kellogg 及其同事将感兴趣的蛋白质组装成各种功能状态,然后将它们快速冷冻,将它们困在适当的位置。冷冻后,他们用提供近原子尺度分辨率的电子显微镜对蛋白质进行成像。

“通过捕获不同的功能状态,我们可以可视化转座子如何工作的整个循环,”凯洛格说。

在这项工作之前,没有人了解转座子如何在距目标基因序列的精确距离处以单一方向插入遗传物质。其他研究人员表明,一种称为 TnsC 的蛋白质负责选择该系统中的目标位点。Kellogg 的结构表明,在存在 ATP(一种细胞用于能量的分子)的情况下,TnsC 蛋白形成螺旋状的细丝,这些细丝在一个方向上生长并缠绕在一段 DNA 周围,寻找插入点。当细丝遇到另一种蛋白质 TniQ 时,它会停止生长,TniQ 似乎可以保护链中最后一个 TnsC 分子不被搜索。然后转座酶分解螺旋丝。

此时,最后一个 TnsC 分子的功能就像一把尺子,以控制 CRISPR-Cas 系统插入位置的间距,就在 TniQ 的下游,它转移其遗传物质的有效载荷。

研究人员还发现,这些元素以单一方向插入,这简化了基因组工程的过程。

在未来的工作中,该团队已经开始探索结合蛋白质设计来修改这一过程,因此它最终可能适用于人体细胞。

凯洛格实验室的博士生 Jung-un Park 是该论文的第一作者。文理学院分子生物学与遗传学教授柯爱龙为合著者。

该研究由美国国家科学研究所资助。

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