Nat.Biotechnol|能靶向冠状病毒RNA的新型CRISPR工具问世


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Cas13酶沿着RNA行走的景象。

图片来源:纽约基因组中心

基于CRISPR的遗传筛选已帮助科学家鉴定了镰状细胞贫血,癌症免疫疗法,肺癌转移以及许多其他疾病的关键基因。但是,这些基因筛选的范围有限:它们只能编辑或靶向DNA。对于人类基因组的许多区域,靶向DNA可能无效,而其他生物(例如冠状病毒或流感之类的RNA病毒)也无法通过现有的DNA靶向CRISPR筛选完全靶向。

现在,科学界的一个重要的新资源今天发表在《Nature Biotechnology》杂志上,纽约基因组中心和纽约大学的Neville Sanjana博士实验室的研究人员开发了一种新的靶向RNA的CRISPR筛选技术。


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研究人员利用了最近发现的一种名为Cas13的CRISPR酶,该酶靶向RNA而不是DNA。利用Cas13,他们设计了一个优化的平台,用于在人类细胞的RNA水平上进行大规模平行的基因筛选。这种筛选技术可以用于了解RNA调控的许多方面,并识别非编码RNA的功能,非编码RNA是产生的RNA分子,但不编码蛋白质。

通过针对人类RNA转录物中成千上万个不同的位点,研究人员开发了一种基于机器学习的预测模型,以加速识别最有效的Cas13指导RNA。研究人员可以通过交互式网站和开源工具箱使用这项新技术,以预测定制RNA靶标的指导RNA效率,并为所有人类蛋白质编码基因提供预先设计的指导RNA。

这项研究的作者Sanjana博士说:“我们预计靶向RNA的Cas13酶将对分子生物学和医学应用产生重大影响,但是我们对于高靶向效力的指导RNA设计知之甚少。” “我们打算通过深入而系统的研究来改变这一点,以开发出最有效的指南设计的关键原理和预测模型。”

Sanjana博士是纽约基因组中心的核心教员,纽约大学生物学助理教授,纽约大学医学院神经科学与生理学助理教授。

Cas13酶是VI型CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)酶,最近被鉴定为可设计的RNA指导的RNA靶向蛋白,具有核酸酶活性,可在不改变基因组的情况下实现靶基因敲低。这种特性使Cas13成为一种潜在的重要治疗手段,可以在不永久改变基因组序列的情况下影响基因表达。

“这是我们在纽约基因组中心培育和开发的技术创新。这项来自Sanjana实验室的最新CRISPR技术对推进基因组学和精准医疗领域具有令人兴奋的意义。” ,纽约基因组中心Evnin家庭科学总监兼首席执行官Tom Maniatis博士说。

博士后科学家Hans-Hermann Wessels和该研究的共同一作、博士生Alejandro Méndez-Mancilla开发了一套新的基于Cas13的工具,并在哺乳动物细胞中进行了转录平铺和排列筛选。研究人员总共收集了超过24,000个RNA靶向引导的信息。

Wessels博士说:“我们在许多不同的转录本中加入了引导RNA,其中包括几个人类基因,我们可以通过抗体染色和流式细胞术轻松地检测转录本的敲低。” “在此过程中,我们发现了一些有趣的生物学发现,这可能会扩大靶向RNA的Cas13酶的应用。”

例如,研究小组的发现向导RNA的哪些区域对于识别靶RNA更为重要。他们使用成千上万个与它们的靶RNA具有1、2或3个碱基错配的引导RNA,确定了一个关键的“种子”区域,该区域对CRISPR引导与靶之间的错配非常敏感。这一发现将有助于科学家设计指导性RNA,以避免非目标RNA上的脱靶活性。由于典型的人类细胞表达约100,000个RNA,因此,准确定位Cas13的预定靶点对于筛选和治疗应用至关重要。

除了进一步了解Cas13脱靶外,“种子”区域还可以用于下一代生物传感器,从而可以更精确地区分密切相关的RNA物种。总体而言,这项研究将以前的Cas13研究在哺乳动物细胞中的数据点数量增加了两个数量级以上。

共同第一作者Méndez-Mancilla说:“使用优化的Cas13筛选系统靶向非编码RNA令我们特别兴奋。” “这极大地扩展了CRISPR工具箱,用于正向遗传和转录组筛选。” 在这项研究中,研究人员注意到以信使RNA的不同蛋白质编码和非编码元件为靶标时,蛋白质敲除存在显着差异,并发现参与转录物加工和剪接的Cas13与其他RNA结合蛋白竞争的证据。

该团队最近利用他们的指导RNA预测模型进行了特别关键的分析:COVID-19突发公共卫生事件是由于冠状病毒引起的,该冠状病毒包含RNA(而非DNA)基因组。使用从大规模平行筛选中得出的模型,研究人员确定了最佳指导RNA,可用于未来检测和治疗应用。

文献来源:

Wessels, H., Méndez-Mancilla, A., Guo, X. et al. Massively parallel Cas13 screens reveal principles for guide RNA design. Nat Biotechnol (2020). doi.org/10.1038/s41587-020-0456-9

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0456-9

新闻报道来源:

https://phys.org/news/2020-03-kind-crispr-technology-rna-viruses.html

作者单位:New York Genome Center

译文校稿:LuLu

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