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基因组编辑

Lead Image©nobestsofierce / Adobe Stock

噬菌体这些病毒看起来像是新时代水晶和月球着陆器的结晶,它们已经以细菌为食数十亿年了。但是细菌绝不是无助的;事实上,它的免疫系统非常好,已经被人类借用来和著名的科学家进行基因组编辑CRISPR系统。

细菌中另一种神秘的成分叫做反转录酶,多年来一直困扰着科学家,但现在,科学我们终于知道了它的确切用途——以及我们如何利用它来提高基因组编辑水平。

一种细胞氰化物药丸

反转录子是在某些细菌中发现的蛋白质和基因:它包含一个DNA/RNA杂交体;一种叫做逆转录酶的酶;一种特殊的蛋白质会随着反转录酶的变化而变化。

事实证明,这是一种武器。

德克萨斯大学奥斯汀分校的生物物理学家伊利亚·芬克尔斯坦告诉《科学》杂志说:“它们确实是一个非凡的生物实体,但没有人知道它们的用途。”这是一个持续了30年的谜。

以色列魏茨曼科学研究所的一个研究小组有一种预感,即反转录子是用来抵御噬菌体病毒的。他们的研究发表在细胞,证明了反转录反转录子是一种防故障装置,是一种细胞氰化物药丸,它能确保在其他防御失效时,被感染的细菌在噬菌体能够利用它制造出足够的副本去感染周围的其他细菌之前死亡。

研究人员专注于一个叫做Ec48的重克隆(听起来完全像一个《星球大战》里可爱的小机器人)。这种反转录酶体“保护”了细菌中另一种已知的抗噬菌体武器,称为RecBCD。

噬菌体和细菌的“军备竞赛”持续的时间比你想象的要长,所以噬菌体必须想办法绕过RecBCD才能生存。但是细菌有一个保险装置。如果噬菌体成功解除RecBCD的武装,反转录子就会开始行动,把它的武器化蛋白质带到细菌的细胞膜上,导致细胞自我毁灭。

“因此,Ec48反转录子形成了第二道防线,如果第一道防线崩溃,就会触发这道防线,”作者写道。

潜在的基因编辑

据《科学》杂志报道,研究人员识别出反转录子的基因组编辑潜力甚至在知道它之前《奇爱博士》戏剧性存在的理由。

CRISPR真的很擅长像一把x-acto刀一样,切割我们想要的基因组部分——但它不擅长将新的遗传密码插入到DNA中。

这就是retron的作用所在。

关键是逆转录酶。为了简化它,逆转录酶从RNA蓝图中生成DNA。反转录子的逆转录酶可以激发出大量我们想要的DNA,然后将其插入CRISPR剪切的基因组中。把它们放在一起,你可能就有了一个将CRISPR的剪切和retron的复制/粘贴结合起来的工具。

反转录反转录子是一种安全措施,是一种细胞氰化物药丸,它能确保在其他防御失效时,被感染的细菌在噬菌体能够利用它制造出足够的副本去感染周围的其他细菌之前死亡。

Strand Therapeutics的合成生物学家安娜·西蒙(Anna Simon)告诉《科学》杂志:“因为基于crispr的系统和反转录子有不同的优势,将它们结合是一种非常有前途的策略。”

魏茨曼的《细胞》论文的作者之一洛特姆·索拉克(Rotem Sorak)告诉《科学》杂志说,反转录子似乎是“精确、高效的基因组编辑的非常有效的工具”。

其中一些工具已经开发出来了:来自斯坦福大学亨特·弗雷泽实验室的CRISPEY已经被用来制造酵母突变体,另外两个由哈佛大学著名遗传学家乔治·丘奇和麻省理工学院合成生物学家蒂莫西·卢领导的团队也对细菌做了类似的实验,尽管这些论文目前还在预印本中。

当然,这里有一个陷阱:反转录反转录子基因组编辑还没有被证明在哺乳动物细胞中起作用——八年前CRISPR也是同样的情况。

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