12 月 18 日《自然》(Nature)雜誌在線發表了一篇題為 Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR-Cas system 的新研究，來自哥倫比亞大學的科學家們利用冷凍電子顯微鏡捕獲了一種新的基因編輯工具的首批圖像。
該團隊在霍亂弧菌中發現了一種獨特的「跳躍基因」，其可以在不引入 DNA 斷裂的情況下往基因組中插入大量的遺傳有效載荷，研究人員以此開發了一個新的基因編輯工具，稱為INTEGRATE（Insertion of transposable elements by guide RNA-assisted targeting）。
（來源：Nature）
這種全新的工具有望改進現有的 CRISPR 工具，通過冷凍電子顯微鏡將這種複雜的基因編輯過程凍結起來，揭示了基因編輯過程的高解析度細節。
「我們在研究中展示了如何利用 INTEGRATE 技術在細菌細胞中進行靶向 DNA 插入。」哥倫比亞大學瓦格洛斯學院生物化學和分子生物物理學助理教授 Sam Sternberg 博士與 Israel Fernandez 博士共同領導了這項研究，Sam Sternberg 說道，「與 Israel Fernandez 實驗室這一次奇妙合作出的這些新圖像，以令人難以置信的分子細節解釋了這一生物過程，並將幫助我們通過蛋白質工程努力來改進該系統。」
新的基因編輯工具
現在，世界各地的許多研究人員都使用 CRISPR-Cas9 來快速、廉價地精確修改細胞的基因組。然而，CRISPR 的大多數應用都涉及要切斷目標 DNA 的兩條鏈，然後利用宿主細胞自身的修復機制將 DNA 斷裂修復。
控制這一修復過程仍然是該領域的一個主要挑戰，因為在這個過程中常常不經意地引入不希望發生的基因編輯。此外，現有的基因編輯工具仍然難以實現以精確的方式插入大型遺傳有效載荷。提高基因編輯的準確性是研究人員的首要任務，也是確保用這種技術開發疾病治療方法的安全性的關鍵。
由 Sternberg 實驗室開發的 INTEGRATE 系統，可以精確插入大的 DNA 序列，而且不需要依靠細胞機制來修復 DNA 鏈。因此，與目前廣泛使用的傳統 CRISPR-Cas 系統相比，INTEGRATE 可能被證明是一種更準確、更有效的進行某些基因修飾的方法。
圖 ｜ INTEGRATE 與 DNA 結合的冷凍電鏡圖像（來源：Sternberg and Fernández Labs）
這種新工具還可以幫助科學家在 DNA 修復活動有限的細胞類型（如神經元）中實現基因編輯，因為在這類細胞中，使用 CRISPR 進行基因編輯的嘗試相對不那麼成功。
首次捕捉的細節
研究人員使用了一種獲得諾貝爾獎的技術——冷凍電子顯微鏡，通過在液氮中快速冷凍一個基因編輯複合體樣本，用電子轟擊，然後他們利用電子顯微鏡捕捉到的圖像，生成一個集成系統的原子解析度模型。
結構模型表明，複合材料是由兩個主要部分組成的螺旋狀長絲。更大的部分，稱為 Cascade，環繞並攜帶引導 RNA，用於掃描細胞中匹配的 DNA 序列。一旦它定位並結合目標序列，就會通過位於複合物末端的 TniQ「轉位」蛋白質將 DNA 鏈串聯起來，並吸收其他有助於修飾 DNA 的酶。
INTEGRATE 的掃描機制與其他研究成熟的 CRISPR 系統的工作方式相似，其中一些還包含一個帶有導向 RNA 的 Cascade 複合體。然而，不像其他的 CRISPR 系統使用 Cascade 複合體來針對 DNA 進行切割，INTEGRATE 的 Cascade 功能是針對 DNA 進行高度精確的遺傳有效載荷插入。
圖 ｜ INTEGRATE 複合物的結構，Cascade（深藍色）、TniQ（淺藍色）和嚮導 RNA（紅色）（來源：Sternberg and Fernández Labs）
「如此規模的可視化生物學過程真的很神奇，甚至可以輕易地激發那些不熟悉這個領域的人。這項工作的質量和完成的速度，得益於 Sam 和 Israel 這樣的厲害導師所提供的合作環境。」哥倫比亞大學歐文醫學中心細胞分子和生物物理研究項目博士生、該研究第一作者 Tyler Halpin-Healy 說。
在他們之前的研究中，Sternberg 和他的同事利用遺傳學和生物化學提出 CRISPR 機制如何在功能上與轉位機制（負責基因 「跳躍」 的分子）相聯繫，這次研究證明了他們的假設是正確的。
除了指導未來的工程努力方向，這些結構圖像還暗示了一個可能的校對檢查點。現有的 CRISPR 技術經常遭受所謂的 「脫靶效應」，在這種情況下，序列被意外修改。新的結構揭示了 Cascade 和 TniQ 如何協同工作，以確保只有正確的「目標」 序列被標記為 DNA 插入。研究人員計劃進一步探索這種檢查點，同時開發新的疾病治療工具。
哥倫比亞大學已經提交了與這項工作相關的專利申請。據了解，Sam Sternberg 博士還是 Dahlia Biosciences 的聯合創始人和科學顧問，也是 Dahlia Biosciences 和 Caribou Biosciences 的股東。