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Nature Chemical Biology:光诱导CRISPR新技术

摘要 : 杜克大学的研究人员设计出了一种方法,通过结合一种细菌的病毒防御系统及花对于阳光的反应,只需拨动光开关就可以在实验室培养皿中以任何模式在任何的特异位点激活基因。研究发布在2月9日的《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)杂志上。

 杜克大学的研究人员设计出了一种方法,通过结合一种细菌的病毒防御系统及花对于阳光的反应,只需拨动光开关就可以在实验室培养皿中以任何模式在任何的特异位点激活基因

能够利用光在特异的位点激活基因,研究人员可以更好地研究基因的功能,构建出复杂的生长组织系统,并有可能最终实现科幻小说般的治疗技术。

这项由杜克大学生物医学工程学助理教授Charles Gersbach领导的研究,发布在2月9日的《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)杂志上。

研究的主要作者、杜克大学博士生Lauren Polstein说:“这一技术使得科学家可以挑选出所有染色体上的任何基因,利用光线来开启或关闭它,其有潜力改变遗传工程能够做到的事情。利用光线来做这件事情的优点在于,通过改变光强度我们可以快速、轻易地控制开启或关闭基因的时间以及基因激活的水平。我们还可以通过以特异的方式进行光照来靶向基因开启的位点,例如让光线通过模板。”

这一新技术利用了一种叫做CRISPR/Cas9的新兴遗传工程系统来靶向特异基因。CRISPR/Cas9被发现是细菌用来鉴别病毒入侵物以及切割病毒DNA的一种系统,研究人员借用了它来精确地靶向特异的遗传序列。

杜克大学的科学家随后转向了这一进化树的另一分支:使得这一系统能够被光线激活。

在许多植物中,有两种蛋白会在存在光线的情况下锁定在一起,使得植物能够感知日照时间决定诸如开花等生物学功能。通过让CRISPR/Cas9系统连接其中的一种蛋白,并将基因激活蛋白与另一个蛋白连接,只需向细胞照射蓝光,研究小组就可以开启或关闭几个不同的基因。

Gersbach说:“这些光敏互作蛋白独立存在于植物中。我们要做的就是让CRISPR和激活子与它们其中的一个相连接。这建立在我们和其他人开发的相似系统之上,现在我们利用了CRISPR来靶向特异的基因。相比于其他的技术它更容易、快速且廉价。”

Gersbach预计这一新型的光激活基因调控系统将具有广泛的潜在应用。

研究人员可以从染色体DNA中基因的自然位置严格、精确地控制它的活性水平,这将使得研究人员能够更准确地解读基因的作用。这一光诱导系统还能够更好地控制干细胞培养物如何分化为各种类型的组织。并且通过构建不同的基因表达模式,Gersbach希望这一系统能够被用于组织工程中。

Gersbach说:“当前组织工程的一个局限之处在于:标准的方法可以生成一块骨、软骨或是肌肉,但却并不是组织自然看起来的样子。在组织中几种细胞类型混合在一起,界面之间存在组织梯度,有血管和神经穿过它们。我们想在空间上控制细胞群中不同组织生成的位置,这种方法构建出的多组织结构有可能可以更好地代表正常的生理状况。”

那时对于如何应用光诱导遗传工程会有更多前瞻性的想法。

Gersbach 说:“有可能可以通过皮肤来照亮细胞,控制它们的功能,例如生长出血管或是再生出组织来。沿着这条路远远地走下去,你可以想象在电影《星际迷航》(Star Trek)中看到的装置,你用闪光灯照照伤口,它就会愈合。显然当前还不可能做到这一点,但这一能够更好地控制生物系统的技术有可能推动我们朝着这一方向前进。”

nchembio.1753-F1

原文链接:A light-inducible CRISPR-Cas9 system for control of endogenous gene activation

Optogenetic systems enable precise spatial and temporal control of cell behavior. We engineered a light-activated CRISPR-Cas9 effector (LACE) system that induces transcription of endogenous genes in the presence of blue light. This was accomplished by fusing the light-inducible heterodimerizing proteins CRY2 and CIB1 to a transactivation domain and the catalytically inactive dCas9, respectively. The versatile LACE system can be easily directed to new DNA sequences for the dynamic regulation of endogenous genes.

来源: Nature Chemical Biology 浏览次数:118

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