在顶尖学术期刊《科学》最新上线的一批论文中,斯坦福大学生物工程系亓磊(Stanley Qi)教授领衔的研究团队,带来了基因编辑技术的一项新成果。他们开发了一项名为CRISPR LiveFISH的多功能成像方法,可以实现在活细胞中实时监测基因组编辑的动态变化,是基因编辑技术的一大突破。


CRISPR再升级!活细胞内实时监测基因编辑变化


作为CRISPR基因编辑技术的一位先锋,亓磊教授过去已在这个领域取得了一系列突破。有人打比方说,如果把CRISPR/Cas系统比作基因剪刀,那么亓磊团队的成果把剪刀升级为了“瑞士军刀”。这套多功能工具箱中包括了精准关闭或开启特定基因表达的基因沉默技术CRISPRi、基因激活技术CRISPRa,对基因组结构进行三维重组操作的CRISPR-GO,等等。


CRISPR再升级!活细胞内实时监测基因编辑变化

▲研究负责人亓磊教授是CRISPR基因编辑技术的一位先锋(图片来源:斯坦福医学院官网)


而这次新增的工具,CRISPR活细胞荧光原位杂交(CRISPR LiveFISH)技术,可以实时研究活细胞中的各种染色体功能。


具体来说,研究者将核酸酶沉默的dCas9分子和向导RNA分别带上荧光蛋白和荧光染料,并将两者组装,靶向并标记活细胞中的基因组序列。


CRISPR再升级!活细胞内实时监测基因编辑变化

▲在活细胞中进行基因组成像和细胞遗传学检测的LiveFISH示意图


应用这种新技术,研究人员可以准确地检测染色体疾病。例如有一种叫Patau综合征的疾病,患者的13号染色体比常人多了一条。而在患者的单个羊水细胞中,LiveFISH可以清晰地显示出3个荧光信号,表明染色体数量的异常。


此外,LiveFISH可以实时监测CRISPR-Cas9引起的DNA双链断裂动态变化。在基因组的特定位置,研究人员通过观察DNA双链断裂处的荧光信号,可以知道该处正在活跃地反复进行基因修复,并且这一动态过程可持续数小时。


研究人员还在细胞内同时引入了两组基因编辑的荧光复合物,分别靶向两条染色体上的不同基因。同时追踪两个位点的信号,根据观察到的距离变化,研究人员猜测这是基因编辑引起的染色体易位。分子克隆的结果验证确实如此。


此外,结合Cas9和Cas13系统,研究人员还展示了LiveFISH可以同时观测活细胞中的基因组DNA和RNA转录。


CRISPR再升级!活细胞内实时监测基因编辑变化▲在细胞内同时观察DNA(gLacO)和RNA转录(gMS2)的变化


而在论文的最后,作者表示,新的CRISPR LiveFISH技术还很有可能与其他遗传操作技术相结合,通过功能组合,帮助我们加深对基因组动态变化的理解。


关于CRISPR


CRISPR(/'krɪspər/,Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)是原核生物基因组内的一段重复序列,是生命进化历史上,细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器,简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌,利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务,细菌为了将病毒的外来入侵基因清除,进化出CRISPR-Cas9系统,利用这个系统,细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除,这是细菌特有的免疫系统。

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