编辑人类细胞基因的新方法！

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在过去的十年里，CRISPR基因组编辑系统彻底改变了分子生物学，使科学家有能力改变活细胞内部的基因，用于研究或医学应用。现在，Gladstone研究所的研究人员使用名为反转录子（retrons）的分子，微调了另一个有效的基因编辑系统。

研究小组在《Nature Chemical Biology》杂志上报告说，反转录子（retrons）可以进行效率优化，并用于编辑从真菌到人类细胞等多种细胞类型中的基因。该研究题为“Precise genome editing across kingdoms of life using retron-derived DNA”。

Gladstone助理研究者Seth Shipman博士是这项新研究的资深作者，他说：“这项工作确实巩固了retrons作为一个可以跨生物体使用的平台。我们可以比目前的方法更容易、更快速、更高效地对基因进行精确的修改。”

一站式基因编辑服务

目前大多数基于CRISPR系统的基因编辑技术都涉及从细胞的基因组中切割出一段DNA，然后引入称为“模板DNA”的新遗传物质来取代它。当细胞修复现有基因被切割的地方时，模板DNA被整合。

该模板DNA通常在实验室中产生，然后从外部引入细胞。切割细胞基因组的Cas9蛋白被分别递送。Cas9和模板DNA都不能穿透每个细胞，限制了CRISPR基因编辑的效率。

然而，retrons的作用就像DNA工厂，从细胞内部产生丰富的模板DNA拷贝。而且，retrons可以与CRISPR的其余部分一起递送，这样细胞就可以同时得到基因编辑所需的所有材料——模板DNA、Cas9和帮助研究人员追踪编辑过程的分子的遗传密码。

新论文的第一作者、Shipman实验室研究生Santiago Lopez说:“这意味着我们只需要为每个细胞引入一个元素。这大大简化了流程，为新型实验打开了大门。”

改造retrons

Retron和CRISPR都起源于细菌；两者都是细菌用来改变DNA以应对感染的防御机制。CRISPR基因组编辑出现后，CRISPR系统被选中选择性地靶向其他细胞类型中的基因，一些研究人员开始探索是否可以利用retrons来供应用于精确基因编辑的模板。然而，retrons结构的不同部分在其功能中的作用，以及如何调整这些部分以改善retrons，尚不清楚。

加州大学旧金山分校(UCSF)生物工程和治疗科学的助理教授，Shipman说：“retron系统进化帮助防御细菌，但我们想改变它的正常功能，让它做我们想要它做的事情——生成基因编辑模板。”

在新的研究中，Shipman的研究小组改造了大肠杆菌retrons，制造出数百种新的变体。他们测试了每个新的变体，发现了一系列的变化，这些变化共同导致了retron在大肠杆菌细胞中最终产生的模板DNA增加了8到10倍。

接下来，研究人员在真菌酿酒酵母和培养的人类细胞中测试了新的重组retron系统，他们发现这种优化的系统在所有情况下都起作用。这是首次展示retron在人类细胞中的应用及其在细胞类型中的可移植性。

由于研究小组现在可以精确微调retrons产生多少模板DNA，他们也能够证明，当retrons产生高水平的模板DNA时，会提高基因编辑效率。

Shipman说：“我们的研究首次证明，我们能产生的模板DNA越多，基因组编辑就越好。更好、更精确的编辑最终意味着更有效、更安全的基因组药物和更先进的基础研究。”

从细菌中提取工具

Shipman说，retrons作为实验室中编辑不同细胞类型基因的研究工具，是快速有用的。虽然该平台尚未准备好用于人类，但它也有可能帮助编辑用于治疗目的的基因——例如通过修复引起疾病的基因突变。

由于不同的细菌含有不同的retrons，他的研究小组还计划探索其他retron变异是否比他们在这项研究中优化的大肠杆菌retron更有益。

Shipman说:“我们正在采取一种通用的方法，挖掘我们在细菌中发现的部分，并将它们驯化供我们自己使用。这对于开发新的工具已经取得了令人难以置信的成果，但我认为我们才刚刚开始收获将这些工具应用于生物技术的好处。”