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Nature方法学直击两大技术热点:CRISPR光活化技术诱导神经元分化

2017-09-26  来源:生物通    编辑:陌莉花开
导读
CRISPR-Cas9 和光遗传学这两大技术经过近几年的发展,已经在许多研究领域中发光发热。而将这两者结合起来的领衔科学家无疑要算上日本东京大学的化学家Moritoshi Sato,他曾开发一种光学开关蛋
CRISPR-Cas9 和光遗传学这两大技术经过近几年的发展,已经在许多研究领域中发光发热。而将这两者结合起来的领衔科学家无疑要算上日本东京大学的化学家Moritoshi Sato,他曾开发一种光学开关蛋白:“Magnets”(磁铁蛋白),他们将其利用在光活化技术中,开发出光激活CRISPR转录体系,调节目标特定基因的表达。

近期Sato研究组成员发表了题为“CRISPR–Cas9-based photoactivatable transcription systems to induce neuronal”的文章,通过基于CRISPR-Cas9的光活化转录系统诱导了神经元分化,这一研究成果公布在9月Nature Methods杂志上。



2015年,Sato及其同事利用其磁蛋白创造了光活化Cas9核酸酶(paCas9)。他们首先将Cas9蛋白分成两个失活的片段构建出了paCas9。随后他们让每个片段连接一个Magnet蛋白。当受到蓝光照射时,两个Magnet蛋白结合到一起,分开的Cas9片段随之结合重建出了RNA引导的Cas9核酸酶活性。重要的是,这一过程是可逆的:当切断光线时,paCas9核酸酶会再度分裂,核酸酶活性终止。实验证明,使用磁铁蛋白方式的光激活系统运作良好,而且一些研究人员可能会发现它在特定的应用上的角色。例如,特定的发育学研究中,通过精确导向的光束,激活超精密的某种发育基因的编辑,这是一种非常有效的方式。这一成果公布在Nature Biotechnology上。光控CRISPR-Cas9系统

Sato研究组也陆续利用光激活以CRISPR-Cas9为基础的基因目标,实现高精度控制基因编辑或表达。通过一对融合蛋白:一个蛋白把灭活Cas9蛋白结合到一个称为CIb1的蛋白,另外一个蛋白将一个转录激活结构域结合到隐花色素2(CRY2)。用蓝光照亮表达这两个蛋白质的细胞和引导性RNA,可使两个蛋白质片段配对,将转录激活结构域拴在DNA上,并激活转录。这一设计为以前这种构成性的合成转录因子引入了一种调控机制。这两项研究分别发表在Cell Chemistry & Biology和Nature Chemical Biology上。

但是,这些系统(CPTS和)的转录增加并没有激发生物学应答,研究人员认为这些激活剂的增加幅度可能太低,因此不能影响生物反应。为此在最新这项研究中,研究人员改进了CRISPR-Cas9的光活化转录系统,研发出了 CPTS2.0 和 Split-CPTS2.0 ,新系统能在各种人类细胞系中实现高蓝光诱导的内源性靶基因激活。

研究证明,研究人员可以通过Split-CPTS2.0实现靶标基因的可逆激活,也可以通过NEUROD1,实现了多能诱导干细胞(iPSCs)的神经元分化。这些研究为未来进一步利用CRISPR-Cas9光活化转录系统奠定了重要的基础,也将能用于其它CRISPR的光遗传应用,比如表观遗传修饰和碱基编辑等。

除了Sato以外,还有来自杜克大学的研究人员设计出了一种方法,通过结合一种细菌的病毒防御系统及花对于阳光的反应,只需拨动光开关就可以在实验室培养皿中以任何模式在任何的特异位点激活基因。

在许多植物中,有两种蛋白会在存在光线的情况下锁定在一起,使得植物能够感知日照时间决定诸如开花等生物学功能。通过让CRISPR/Cas9系统连接其中的一种蛋白,并将基因激活蛋白与另一个蛋白连接,只需向细胞照射蓝光,研究小组就可以开启或关闭几个不同的基因。

研究人员可以从染色体DNA中基因的自然位置严格、精确地控制它的活性水平,这将使得研究人员能够更准确地解读基因的作用。这一光诱导系统还能够更好地控制干细胞培养物如何分化为各种类型的组织。

当前组织工程的一个局限之处在于:标准的方法可以生成一块骨、软骨或是肌肉,但却并不是组织自然看起来的样子。在组织中几种细胞类型混合在一起,界面之间存在组织梯度,有血管和神经穿过它们。我们想在空间上控制细胞群中不同组织生成的位置,这种方法构建出的多组织结构有可能可以更好地代表正常的生理状况。

原文标题:

CRISPR–Cas9-based photoactivatable transcription systems to induce neuronal



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