比TALENs更有效:CRISPR助力干细胞基因组编辑

2013-04-11 00:21 · wenmingw

CRISPR全称为规律成簇间隔短回文重复,这是一类广泛分布于细菌和古菌基因组中的重复结构。来自哈佛大学、博德研究院等机构的研究人员利用CRISPR技术进行人多能干细胞基因组编辑,并指出这种方法比TALENs方法更有效。


CRISPR技术成为了最近的新宠儿,在2013年3月这短短的一个月之内,在包括《科学》(Science)和《自然 生物技术》(Nature Biotechnology)等杂志上就已经发表了5篇相关的论文介绍这个现在被称作CRISPR–Cas系统(CRISPR–Cas systems)简便而又实用的基因组改造新技术。

日前,来自哈佛大学(Harvard University)、博德研究院(Broad Institute of MIT and Harvard)等机构的研究人员利用CRISPR技术进行人多能干细胞基因组编辑,并指出这种方法比TALENs方法更有效。相关研究论文刊登在了近期出版的《Cell Stem Cell》杂志上。

CRISPR全称为规律成簇间隔短回文重复(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats),这是一类广泛分布于细菌和古菌基因组中的重复结构。研究表明,CRISPR与一系列相关蛋白、前导序列一起,能为原核生物提供对抗噬菌体等外源基因的获得性免疫能力。

这种结构的作用机理可能与真核生物的RNA干扰过程类似,最早于1987年在大肠杆菌(Escherichia coli)K12的iap基因侧翼序列中被发现。今年2月来自哈佛大学的研究人员在另外一篇“A TALEN genome-editing system for generating human stem cell-based disease models”文章中,采用了TALEN方法,在培养体细胞和人多能干细胞中快速生成了15个基因的突变等位基因,其中多能干细胞能分化成各种代谢细胞类型。这能用于疾病研究模型。

此外在2013年1月,哈佛大学的遗传学家George Church 和他的同事利用CRISPR方法,成功编辑了几种不同的人类细胞系的基因组,其中包括诱导多能干细胞iPS。这与另外一篇Science文章首次证明了Cas9 核酸酶确实能用于编辑哺乳动物细胞基因组。

研究人员指出CRISPR比较于其它基因组工程技术,比如锌指核酸酶 (ZFNs) 或转录激活因子样效应物核酸酶(TALENS),具有极大的优势,CRISPR更易于操作,也具有更强的扩展性。

为了进一步比较TALENs和CRISPR的相对作用效率,在这篇文章中,研究人员利用这两种方法利用同一平台,对同一hPSC细胞系的同一基因组位点进行了分析,结果表明CRISPR方法的效率更高,TALENs对一个突等位基因产生克隆的效率是0%-34%,而CRISPR方法的效率则为51%-79%,并且后者还能较容易的生成纯合子突变克隆(总克隆的7%-25%),此外这种方法也比TALENs方法敲入克隆比例高出近十倍。

研究人员推测CRISPR的这种突出性能是由于Cas9蛋白能更高量的表达,在hPSCs中也比TALENs具有更好的耐受性,其它方面的原因也可能是由于Cas9的内源性DNA未蜷曲活性,而TALEN受损后会结合甲基化DNA等。

但是CRISPR也存在一些缺点,其中尤其值得注意的是两点:首先G(N)19NGG的要求有时会出现限制性,其次CRISPR方法的脱靶率还有待进一步确定。