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Nat Biotechnol:光控CRISPR-Cas9系统

 

发表在6月15日《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上的一项研究中,来自日本的研究人员报告称他们构建出了更好的CRISPR基因编辑系统:一种光激活的新型Cas9核酸酶使得研究人员能够在空间和时间上更好地控制RNA引导的核酸酶的活性。

 

加州大学戴维斯分校干细胞生物学家Paul Knoepfler(未参与该研究)说:“这是一个通过光线来非常精确地控制基因编辑的有效新系统。任何能够增加遗传修饰精确度和控制力的技术进步都是重要的进步。这是研究人员为此付出的诸多努力之一。”

 

近期,东京大学的化学家Moritoshi Sato和同事们开发出了一对叫做Magnets的光控开关蛋白,当被光线激活时Magnets会利用静电相互作用结合到一起。该研究小组还利用光活化技术开发了一种光激活CRISPR转录系统靶向特定的基因实现基因表达。现在Sato的研究小组又往前推进了一步,利用Magnet蛋白构建出了一种光激活Cas9核酸酶(paCas9)实现光控基因组编辑。

 

Sato说:“现有的Cas9不允许对组织中的一小部分细胞,例如大脑中的神经元进行基因组改造。此外,由于不可控的核酸酶活性,现有的Cas9往往会造成一些脱靶效应……我们一直有意开发出一种强大的工具,从空间和时间上控制基因组编辑。”

 

研究人员通过首先将Cas9蛋白分成两个失活的片段构建出了paCas9。随后他们让每个片段连接一个Magnet蛋白。当受到蓝光照射时,两个Magnet蛋白结合到一起,分开的Cas9片段随之结合重建出了RNA引导的Cas9核酸酶活性。重要的是,这一过程是可逆的:当切断光线时,paCas9核酸酶会再度分裂,核酸酶活性终止。Sato说:“这样的paCas9 on/off开关特性是以往无法达到的最重要的突破。”

 

Broad研究所张锋实验室博士后Fei Ann Ran说:“新研究利用了分裂的Cas9结构来实现光激活基因组编辑。这提供给了一个很好的范例,表明可以利用Cas9的结构知识来改造它扩展其能力,并突出显示了这一系统的多功能性。”

 

Knoepfler说:“利用magnet的这一光激活系统可以很好地发挥作用给我留下了深刻的印象,一些研究人员有可能能够将之用于一些特殊的应用。例如,在一些特异的发育研究中通过精确定向的光束超精准地激活特定发育结构域中的基因编辑可能会被证明是一种极好的方法。”他补充说,目前尚不清楚这一系统是否能有效地降低CRISPR的脱靶效应,通过限制基因编辑元件的活化时间,这技术将有可能可以做到这一点。

 

Sato研究小组现正计划扩展可以激活paCas9核酸酶的光线的颜色,“从而使得可以更加灵活地实现基因组编辑。为此目的,开发出一些新的颜色变化的光控开关蛋白是一个关键的要素。”

参阅文献:

Nat Biotechnol. 2015 Jun 15. doi: 10.1038/nbt.3245. [Epub ahead of print]

Photoactivatable CRISPR-Cas9 for optogenetic genome editing.

Abstract

We describe an engineered photoactivatable Cas9 (paCas9) that enables optogenetic control of CRISPR-Cas9 genome editing in human cells. paCas9 consists of split Cas9 fragments and photoinducible dimerization domains named Magnets. In response to blue light irradiation, paCas9 expressed in human embryonic kidney 293T cells induces targeted genome sequence modifications through both nonhomologous end joining and homology-directed repair pathways. Genome editing activity can be switched off simply by extinguishing the light. We also demonstrate activation of paCas9 in spatial patterns determined by the sites of irradiation. Optogenetic control of targeted genome editing should facilitate improved understanding of complex gene networks and could prove useful in biomedical applications.

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