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美高美集团陈洪敏教授团队在可逆光控CRISPR系统用于精确控制基因编辑与表达方面取得重要进展

时间:2023年03月22日

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近日,美高美集团分子影像中心陈洪敏教授研究团队在Nucleic Acids Research期刊在线发表了题为“G-quadruplex-based CRISPR photoswitch for spatiotemporal control of genomic modulation的研究性成果。该工作利用偶氮苯衍生物AZD++的光响应异构化特性及基于G-四链体的gRNA结构设计,实现了时空精确控制CRISPR介导的基因编辑与基因表达,显著降低了胞内脱靶效应的发生。

CRISPR-Cas9基因编辑系统已成为生物医学应用的强大工具。然而,这种依赖于序列特异识别模式的CRISPR-Cas9系统因基因组DNA的高度同源性及其反应过程不易控制多余的Cas9酶持续激活等问题会引发脱靶效应的发生,导致其编辑效率和安全性方面面临一些挑战。因此,条件性地限制细胞内CRISPR复合物的活性将有助于减少脱靶效应。过去大多数工作基于Cas9蛋白变体的光敏感改造来控制CRISPR-Cas9基因编辑系统,但是蛋白改造需要大量筛。谭咽鼻曳蚜。而已有的基于gRNA的光控系统报道较少,并且是对CRISPR系统的开启或关闭进行单向调控缺乏灵活性。

该工作中,研究者提出基于gRNA修饰的可逆光控开关设计实现灵活可控的基因编辑与基因表达。该可逆光控系统依赖于gRNAG-四链体结构设计(GqRNA)及镶嵌于其中具有可逆光响应的偶氮苯衍生物AZD++。特定波长的UV诱导AZD++异构化能迅速改变GqRNA的状态,促进CRISPR蛋白复合物的快速激活进行基因组编辑,而白光照射可以诱导AZD++-GqRNA重新折叠处于关闭状态,及时抑制基因组剪切,限制脱靶效应和副产物的产生。首先通过对其可逆光控CRISPR基因编辑可行性进行充分论证,并在细胞层面对其降低脱靶效应进行了研究。以具有多个潜在脱靶位点的EXM1基因为模式靶点,与未修饰的WT-sgRNA作对比测定其时间依赖的反应动力学曲线,用高通量测序验证其脱靶位点的编辑效率。最后对其应用范围也进行了拓展研究,实现了内源性基因动态表达的人为可逆调节,并且具有重复性诱导和时空特异性。这项工作表明可逆光控系统的设计为CRISPR-Cas9的调制提供了新的范式,以提高其安全性和适用性。

美高美集团陈洪敏教授为论文通讯作者,博士研究生邓华平、徐晗及硕士研究生王一如为本论文共同第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金、福建省杰出青年科学基金、厦门大学南强青年拔尖人才、厦门大美高美集团长基金等项目的资助。


论文链接:https://doi.org/10.1093/nar/gkad178



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