华裔博士连发Cell,Nature:基因沉默新技术

【字体: 时间:2013年03月04日 来源:生物通

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  关于基因组工程技术,近期涌现了不少重要的新方法,如CRISPR,转录激活因子样效应物核酸酶(TALENS),不过一些研究人员认为,CRISPR比较于其它基因组工程技术,比如锌指核酸酶 (ZFNs) 或TALENS,具有极大的优势:CRISPR更易于操作,也具有更强的扩展性。

  

生物通报道:在去年的这个时候,“CRISPR”这个名词还令许多人感到陌生,然而自去年年底到今年年初,有关CRISPR在技术上应用方面的文章就已经突破50篇。这种被称为CRISPR/Cas的系统能利用靶向干扰外源DNA的crRNAs,将调控真核生物和原核生物进程的各类小RNA分子连接在一起,从而创建出更简便更安全的哺乳动物细胞(包括人类细胞)基因组编辑新方法。

目前已有不少研究人员聚焦于这一技术领域,来自加州大学旧金山分校的齐磊(Lei S. Qi,音译)博士就是其中之一,其所在研究组接连发表了Cell,Nature Biotechnology,Nature Methods文章(Cell论文目前可免费获取),介绍了这一方面的研究进展。

CRISPR也就是Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(规律成簇间隔短回文重复),这是一类广泛分布于细菌和古菌基因组中的重复结构。研究表明,CRISPR与一系列相关蛋白、前导序列一起,能为原核生物提供对抗噬菌体等外源基因的获得性免疫能力。

这种结构的作用机理可能与真核生物的RNA干扰过程类似,此前来自麻省理工学院和哈佛大学的研究团队就利用产脓链球菌和嗜热链球菌中的CRISPR酶和RNA,在小鼠和人类细胞的DNA中进行了插入,切割,修复,和编辑。

在题为“Repurposing CRISPR as an RNA-Guided Platform for Sequence-Specific Control of Gene Expression”的文章中,研究人员将CRISPR用于基因表达序列特异性调控的平台,研发出了一种基于Cas9的基因调控方法。

在全基因组范围内靶向基因调控是一种重要的合成生物学方法,研究人员发现当缺失核酸内切酶活性的Cas9与一种导向RNA共表达时候,会产生一种DNA识别复合物,这种复合物能特异性干扰转录延伸,RNA聚合酶结合,或转录因子结合。

研究人员将这个系统称为CRISPR干扰(CRISPRi),指出这一系统能有效抑制大肠杆菌中靶向基因的表达,并且不会出现脱靶效应。而且利用CRISPRi,还可以同时抑制多个靶基因,这种作用也是可逆。研究人员还证明,该系统也适用于哺乳动物细胞中的基因表达抑制。

由此研究人员指出,这种RNA导向的DNA识别平台是基因组范围内基因表达选择性抑制的一种简单的新方法。

另外一篇文章中,研究人员也报道了另外一项相关成果:合成RNA加工平台,发现mRNA前体有效的特异性剪切,能用于预测多基因操控子行为。此外这一研究组还研发出了一种“转接子”(adaptor),能通过将大肠杆菌中翻译调控因子转换成转录调控因子,令微生物元件基因工程过程变得更容易,也更易预测。

关于基因组工程技术,近期涌现了不少重要的新方法,如转录激活因子样效应物核酸酶(TALENS),不过一些研究人员认为,CRISPR比较于其它基因组工程技术,比如锌指核酸酶 (ZFNs) 或TALENS,具有极大的优势:CRISPR更易于操作,也具有更强的扩展性。(生物通:张迪)

原文摘要:

Repurposing CRISPR as an RNA-Guided Platform for Sequence-Specific Control of Gene Expression

Targeted gene regulation on a genome-wide scale is a powerful strategy for interrogating, perturbing, and engineering cellular systems. Here, we develop a method for controlling gene expression based on Cas9, an RNA-guided DNA endonuclease from a type II CRISPR system. We show that a catalytically dead Cas9 lacking endonuclease activity, when coexpressed with a guide RNA, generates a DNA recognition complex that can specifically interfere with transcriptional elongation, RNA polymerase binding, or transcription factor binding. This system, which we call CRISPR interference (CRISPRi), can efficiently repress expression of targeted genes in Escherichia coli, with no detectable off-target effects. CRISPRi can be used to repress multiple target genes simultaneously, and its effects are reversible. We also show evidence that the system can be adapted for gene repression in mammalian cells. This RNA-guided DNA recognition platform provides a simple approach for selectively perturbing gene expression on a genome-wide scale.

RNA processing enables predictable programming of gene expression

Complex interactions among genetic components often result in variable systemic performance in designed multigene systems1, 2. Using the bacterial clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) pathway3, 4 we develop a synthetic RNA-processing platform, and show that efficient and specific cleavage of precursor mRNA enables reliable and predictable regulation of multigene operons. Physical separation of linked genetic elements by CRISPR-mediated cleavage is an effective strategy to achieve assembly of promoters, ribosome binding sites, cis-regulatory elements, and riboregulators into single- and multigene operons with predictable functions in bacteria. We also demonstrate that CRISPR-based RNA cleavage is effective for regulation in bacteria, archaea and eukaryotes. Programmable RNA processing using CRISPR offers a general approach for creating context-free genetic elements and can be readily used in the bottom-up construction of increasingly complex biological systems in a plug-and-play manner.

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