華人學者齊磊:比CRISPR-Cas9更優的CRISPRi

【字體: 時間:2016年03月11日 來源:生物通

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  結合21世紀最強大的兩種生物學工具,Gladstone研究所的科學家第一次采用CRISPR-Cas9系統的變種技術,改變了讀取誘導多能干細胞(iPSCs)基因組的方式。這是在構建遺傳病細胞模型上取得的一個重大技術進步。

  

生物通報道  結合21世紀最強大的兩種生物學工具,Gladstone研究所的科學家第一次采用CRISPR-Cas9系統的變種技術,改變了讀取誘導多能干細胞(iPSCs)基因組的方式。這是在構建遺傳病細胞模型上取得的一個重大技術進步。

在發表于《細胞干細胞》(Cell Stem Cell)雜志上的一項研究中,研究人員采用了改良版本的CRISPR——CRISPR干擾(CRISPRi)失活了iPSCs和用iPSCs構建的心臟細胞中的一些基因。論文的共同作者齊磊(Stanley Qi)博士率先在2013年報道了這種方法(華裔博士連發Cell,Nature:基因沉默新技術 )。近年來齊磊在CRISPR研究領域取得了一系列突破性進展,在Cell、Nature Biotechnology、Nature Methods等雜志上接連發表了多篇研究論文。新年伊始,齊磊博士還接受了國際學術期刊《Journal of Cell Science》的采訪(華人學者齊磊對話:科學家即夢想家 )。

CRISPRi顯著地改良了原始的CRISPR-Cas9系統,使得能夠更精確和有效地沉默(關閉)基因。CRISPRi還能夠靈活地逆轉及小心地控制基因抑制量(CRISPR功能研究入門指南(CRISPRi))。

標準CRISPR系統利用Cas9蛋白,通過在細胞DNA中造成小切口來刪除基因組某一精確的部分。CRISPRi是建立在這一技術之上,利用了一種特殊失活版本的Cas9蛋白和另一個抑制蛋白KRAB。這些蛋白定位在基因組的靶位點上,無需切割DNA就可以抑制基因表達。讓科學家們吃驚地是,以這種方式暫時地沉默基因表達比永久切割基因組更加地一致。

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論文的資深作者、Gladstone心血管疾病研究所和Roddenberry干細胞中心的高級研究員Bruce Conklin說:“我們對兩種系統之間性能的顯著差異感到吃驚。我們認為,永久切割基因組是比沉默基因更有效的方法,但實際上CRISPRi如此地精確,且能緊密地結合基因組,它確實是沉默基因更好的方式?!?/P>

在這項研究中,研究人員比較了CRISPRi和CRISPR-Cas9沉默控制iPSC多能性的一個特殊基因的狀況。他們發現CRISPRi的效率比CRISPR-Cas9高得多:利用CRISPRi,95%以上細胞中的靶基因被沉默,而采用CRISPR-Cas9的細胞為60-70%。并且CRISPRi沒有造成任何脫靶基因表達改變,像在細胞基因組中非期望的插入或刪除等——這是采用CRISPR-Cas9要考慮的一個問題。

CRISPRi就像切換開關那樣發揮作用,使得科學家們只需簡單地除去開啟基因抑制子的化學物質,就可以逆轉基因抑制。此外,研究人員能夠通過改變他們添加的化學物質的量來微調他們沉默基因的程度。兩者都支持了更全面地調查影響發育和疾病的某些基因。

研究人員在iPSCs、T細胞和用干細胞生成的心臟細胞中均證實了CRISPRi更為強大的能力。例如他們利用基因組編輯來抑制對心臟功能至關重要的一個基因構建出了心臟病模型。

論文的第一作者、Gladstone研究所研究人員Mohammad Mandegar博士說:“在構建疾病相關細胞類型上CRISPRi有一個重要的優勢。利用這一技術,我們可以在用iPSCs生成的同質心臟細胞群中模擬疾病。這使得我們能夠更容易地研究遺傳病,并有可能鑒別出一些新治療靶點?!?/P>

(生物通:何嬙)

生物通推薦原文摘要:

CRISPR Interference Efficiently Induces Specific and Reversible Gene Silencing in Human iPSCs

Developing technologies for efficient and scalable disruption of gene expression will provide powerful tools for studying gene function, developmental pathways, and disease mechanisms. Here, we develop clustered regularly interspaced short palindromic repeat interference (CRISPRi) to repress gene expression in human induced pluripotent stem cells (iPSCs). CRISPRi, in which a doxycycline-inducible deactivated Cas9 is fused to a KRAB repression domain, can specifically and reversibly inhibit gene expression in iPSCs and iPSC-derived cardiac progenitors, cardiomyocytes, and T lymphocytes. This gene repression system is tunable and has the potential to silence single alleles. Compared with CRISPR nuclease (CRISPRn), CRISPRi gene repression is more efficient and homogenous across cell populations. The CRISPRi system in iPSCs provides a powerful platform to perform genome-scale screens in a wide range of iPSC-derived cell types, dissect developmental pathways, and model disease.

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