先進的顯微鏡使新的CRISPR-Cas系統(tǒng)大放異彩
一項新的研究描述了康奈爾大學研究人員的跨學科團隊如何使用最先進的顯微鏡技術來揭示 CRISPR-Cas 系統(tǒng)的蛋白質結構和關鍵步驟，該系統(tǒng)有望開發(fā)出改進的基因編輯工具。
最終，這些發(fā)現(xiàn)可能會產生一個可靠的 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，使科學家能夠以比現(xiàn)有技術更精確的方式將更多的遺傳信息貨物插入細胞中，這對研究和治療人類疾病具有深遠的影響，與此同時NIST的科研人員實現(xiàn)了顯微鏡的高精度校準。
該研究的重點是 CRISPR 相關轉座子，這是一組細菌“跳躍基因”，其中包含細菌用來識別和禁用病毒的天然存在的 CRISPR-Cas 系統(tǒng)。
TnsC 細絲的低溫電子顯微鏡圖像。（圖片由凱洛格實驗室/提供）
農業(yè)學院微生物學教授約瑟夫·彼得斯 ( Joseph Peters ) 說：“我們發(fā)現(xiàn)了這一過程如何以這樣一種方式發(fā)生的巨大缺失環(huán)節(jié)，我們現(xiàn)在可以對其進行工程改造，使其更有可能在人體細胞中實際發(fā)揮作用?！鄙茖W，以及該論文的共同高級作者。
“基于結構的蛋白質設計可以做很多事情，因為當您了解所有事物如何相互作用的物理學時，您就可以精確和準確地修改該系統(tǒng)，”分子生物學助理教授伊麗莎白凱洛格說。藝術與科學學院的遺傳學和該研究的另一位共同高級作者?！艾F(xiàn)在我們已經了解了它在其功能周期中的運作方式，我們可以開始對其進行修改。”
在自然界中，細菌在免疫防御中使用 CRISPR-Cas 系統(tǒng)。所有的 CRISPR 系統(tǒng)都使用 CRISPR RNA 作為指導，盡管每個系統(tǒng)如何定位其目標的細節(jié)差異很大。RNA 是最常用于將遺傳信息從 DNA 傳遞到蛋白質的分子，它已被修改為指導 CRISPR 相關蛋白（Cas 蛋白）到精確的病毒DNA 串的指導。一旦定位，Cas蛋白就會切割DNA并使病毒失效。在過去的十年中，科學家們選擇了 CRISPR-Cas 系統(tǒng)來編輯基因，方法是在精確位置切割 DNA 并插入工程序列。
轉座子或跳躍基因，由諾貝爾獎獲得者 Barbara McClintock '23, MA '25, Ph.D 于 1940 年代首次發(fā)現(xiàn)。'27，有能力在基因組中跳躍和復制。彼得斯在 2017 年發(fā)現(xiàn)，一些轉座子已采用 CRISPR-Cas 細菌免疫系統(tǒng)，它們用于在細菌之間和細菌物種之間轉移遺傳物質。這項研究的重點是轉座子采用的一種 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，該系統(tǒng)有望開發(fā)一種新的基因編輯技術，該技術可以比現(xiàn)有方法更高效、更準確地提供更大的遺傳物質有效載荷。
Kellogg 的實驗室專門研究低溫電子顯微鏡的使用。在這項研究中，Kellogg 及其同事將感興趣的蛋白質組裝成各種功能狀態(tài)，然后將它們快速冷凍，將它們困在適當?shù)奈恢?。冷凍后，他們用提供近原子尺度分辨率?a href="/old_version/product/dianzixianweijing/" title="電子顯微鏡" target="_blank" >電子顯微鏡對蛋白質進行成像。
“通過捕獲不同的功能狀態(tài)，我們可以可視化轉座子如何工作的整個循環(huán)，”凱洛格說。
在這項工作之前，沒有人了解轉座子如何在距目標基因序列的精確距離處以單一方向插入遺傳物質。其他研究人員表明，一種稱為 TnsC 的蛋白質負責選擇該系統(tǒng)中的目標位點。Kellogg 的結構表明，在存在 ATP（一種細胞用于能量的分子）的情況下，TnsC 蛋白形成螺旋狀的細絲，這些細絲在一個方向上生長并纏繞在一段 DNA 周圍，尋找插入點。當細絲遇到另一種蛋白質 TniQ 時，它會停止生長，TniQ 似乎可以保護鏈中最后一個 TnsC 分子不被搜索。然后轉座酶分解螺旋絲。
此時，最后一個 TnsC 分子的功能就像一把尺子，以控制 CRISPR-Cas 系統(tǒng)插入位置的間距，就在 TniQ 的下游，它轉移其遺傳物質的有效載荷。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些元素以單一方向插入，這簡化了基因組工程的過程。
在未來的工作中，該團隊已經開始探索結合蛋白質設計來修改這一過程，因此它最終可能適用于人體細胞。
凱洛格實驗室的博士生 Jung-un Park 是該論文的第一作者。文理學院分子生物學與遺傳學教授柯愛龍為合著者。
該研究由美國國家科學研究所資助。