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PNAS:CRISPR探索植物基因組的奧秘

日期:2016-06-28 09:04:32

 突變是基因組進化的基礎。舉例來說,現有序列經過重復和加倍可以形成更大的基因組。卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的科學家們用自己開發的CRISPR/Cas系統揭示了基因組進化的重要機制。他們在美國國家科學院院刊PNAS雜志上發表文章指出,修復彼此相對的單鏈DNA斷裂會引起序列重復。

 

細菌一直在與病毒或入侵核酸進行斗爭,為此它們演化出了多種防御機制,CRISPR-Cas適應性免疫系統就是其中之一。規律成簇的間隔短回文重復CRISPR與內切酶Cas的組合,可以在引導RNA的指引下,靶標并切割入侵者的遺傳物質。2012年研究者們利用這一特點,將CRISPR系統發展成了強大的基因組編輯工具。該系統使用簡單而且擴展性強,很快便成為了生物學領域的香餑餑。

 

研究人員構建了能夠剪切DNA單鏈的CRISPR/Cas系統,向擬南芥基因組引入不同間距的單鏈斷裂,然后通過測序分析DNA修復的結果。他們發現,如果兩條DNA單鏈均發生斷裂而且斷裂位點相距較遠,修復過程就會使斷裂位點附近生成短序列的串聯重復。這種串聯重復在植物基因組中很常見。研究還表明,多個DNA單鏈斷裂能夠引發基因組修飾。植物基因組經常會發生這樣的DNA斷裂,尤其是在紫外光的照射下。這些發現可以幫助人們進一步理解植物基因組的進化程序。

 

CRISPR/Cas9基因組編輯技術給分子生物學領域帶來了一場變革。與如火如荼的動物研究相比,植物CRISPR研究是一個比較冷門的方向。這就像是一塊沒有被完全開發的景點,走進去往往可以領略到不一樣的風景。那么,假如我們涉足這一領域需要注意哪些主要的問題呢?

 

釀膿鏈球菌的Cas9現在已經被廣泛用于基因組編輯。那么,對Cas9進行基因工程改造將面臨哪些限制呢?加州大學伯克利分校的研究團隊通過隨機插入突變對Cas9結構進行了全面分析,鑒定了這種蛋白的基因改造熱點。這些位點可以耐受PDZ結構域的插入,不影響Cas9的結合和剪切功能。

 

CRISPR系統的基礎上使用sgRNA文庫進行遺傳篩選,是鑒定基因調控子的一種有效方法。研究者們可以通過CRISPR篩選在基因組非編碼區域中尋找功能性元件。不過這樣的應用需要高度覆蓋又簡單實用的自定義sgRNA文庫。耶魯大學醫學院的研究人員開發了一個名為Molecular Chipper的新技術。該技術能夠針對指定基因組區域生成密集覆蓋的sgRNA文庫。

 


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