我学者首次揭示基因编辑工具SpCas9变体作用机制有望在生物和医学等领域得到高效可控安全应用地方要闻,EditSprings,艾德思



哈尔滨2月13日电(通讯员衣晓峰朱玉威记者李丽云)记者13日从哈尔滨工业大学获悉,由哈尔滨工业大学生命学院教授黄志伟课题组完成的一项课题<高保真SpCas9变体的结构基础>,日前发表在最新一期国际著名期刊<细胞研究>上.该项成果不仅首次揭示了高保真的Cas9基因编辑系统的分子机制,而且为改造SpCas9以及其他Cas核酸内切酶,使之成为更高效/更特异的基因编辑工具夯实了关键结构基础,具有指导改造新型基因编辑系统的应用价值,有望治疗遗传性疾病和疑难病,继而被人类完全掌控和利用.

CRISPR-Cas9系统作为最广泛使用的的基因编辑工具被应用于生物/医学等领域,可以像办公软件文档一样,对基因进行编辑.目前,通过全球基因编辑领域科学家的努力,还在Cas9基础上产生了高保真的SpCas9突变体,这些突变体都能成为更高效/更便捷的基因编辑工具和系统.但脱靶效应成了这一高效基因编辑工具的最大伤害,会带来意想不到的突变.其中,由于对SpCas9突变体的高保真结构基础一直未知,造成脱靶效应的难题长期不能真正解决,让人类难以精确调控基因编辑工具在什么时间/什么位置进行编辑.

在国家自然科学基金委/哈工大青年科学家工作室等基金资助下,黄志伟及其课题组利用结构生物学和生化研究等先进技术,揭示了SpCas9变体(xCas9 3.7)广泛的底物兼容能力与高保真特性的奥秘所在.课题组借助X-射线衍射手段解析了该变体/导向RNA以及包含两种不同序列的双链DNA的复合物结构.研究发现,xCas9 3.7蛋白中第1219位的谷氨酸残基与第1335位的精氨酸残基形成的盐桥作用,对SpCas9选择可编辑的底物DNA序列至关重要,xCas9 3.7中将1219位的谷氨酸突变为缬氨酸,破坏了盐桥功效,解除了对1335精氨酸侧链的限制,使其产生一定的自由度,从而增强了对底物DNA的识别能力.

研究还发现,虽然xCas9 3.7与野生型SpCas9的整体构象非常相似,但负责识别底物DNA的二个结构域模块却发生了明显的构象变化,使得和DNA底物的接触减少,也正是该机制大大降低了SpCas9变体进行基因编辑时的脱靶率.基于这一发现,黄志伟团队理性设计了一系列SpCas9变体,在生化实验和细胞实验中显示出新设计的突变体与野生型SpCas9相比,具有显著提高的保真性.

上述研究的意义在于一方面通过结构生物学手段,阐述了SpCas9变体识别底物的高兼容性和高保真性的分子机制;另一方面合理设计了更多的突变体,以进一步提升底物的兼容能力与保真性.专家评价指出,研究成果有助于加大基于SpCas9基因编辑工具的实际应用,使其风险降到最低,可望在生物/医学/农业等领域彻底成为一种高效/可控/安全等手段,并被人类完全利用.

黄志伟教授为本研究文章的通讯作者,该团队的博士研究生郭明慧/任宽和师资博士后朱玉威为该文章的并列第一作者.

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