杜克大学(Duke University)的生物医学工程师已经使用了以前未开发的CRISPR技术来精确调节和编辑人类细胞中的基因组。

通过这种新方法，研究人员希望能够大大扩展生物医学工程师可用的基于CRISPR的工具，从而开启基因组工程技术的新领域。

在9月23日发表在《自然生物技术》上的一项研究中，杜克大学鲁尼家族生物医学工程副教授查尔斯·格斯巴赫(Charles Gersbach)和格斯巴赫实验室的博士后研究员阿德里安·奥利弗(Adrian Oliver)领导了该项目，他们描述了他们如何成功利用课堂1个CRISPR系统，用于首次打开和关闭目标基因并编辑人类细胞中的表观基因组。

CRISPR-Cas是一种防御系统，其中细菌使用RNA分子和CRISPR相关(Cas)蛋白靶向并破坏入侵病毒的DNA。随着研究人员学会了如何利用该工具来特异性靶向和编辑人细胞中的DNA，这一现象的发现和分子机制的重新利用掀起了基因组编辑革命。

CRISPR-Cas9是当今最常用的基因组编辑工具，被归类为2类CRISPR系统。2级系统在细菌界并不常见，但从理论上讲它们更易于操作，因为它们仅依赖一种Cas蛋白来靶向和切割DNA。

1类系统并不是那么简单，它依靠多种蛋白质在称为Cascade(抗病毒防御的CRISPR关联复合物)的复合物中共同作用来靶向DNA。结合后，Cascade募集了一个可切割DNA的Cas3蛋白。

盖斯巴赫说：“如果看世界上所有细菌的单个CRISPR系统，将近90%是1类系统。”“ CRISPR-Cas生物学是生物技术工具的不可思议的来源，但直到最近，每个人都只关注其中的一小部分。”

为了证明1类系统的功能，Oliver将基因激活剂连接到了I型大肠杆菌级联复合体的特定位点，并将该系统靶向结合调节基因表达水平的基因启动子。因为她没有在实验中包括Cas3蛋白，所以没有切割DNA，也没有改变基础的DNA序列。实验表明，Cascade激活剂不仅结合正确的位点，而且可以提高靶基因的水平，而且这样做的准确性和特异性与CRISPR / Cas9相当。

奥利弗使用来自另一种细菌菌株的I类级联复合物重复了该过程，该菌株在各种目标位点的工作特别强大。她还表明，可以将激活域替换为阻遏物，从而关闭靶基因。研究人员再次指出，准确性和特异性可与CRISPR / Cas9方法媲美。

奥利弗说：“我们发现Cascade的结构非常模块化，可以在多个位置连接激活物或阻遏物，这是改变人类细胞基因表达的重要工具。”“ Cascade的灵活性使它成为有前途的基因组工程技术。”

Gersbach和Oliver受到附近北卡罗莱纳州立大学的合作者Rodolphe Barrangou教授和Chase Beisel教授的合作，鼓励他们研究更复杂的1类CRISPR系统，后者现在在德国的亥姆霍兹感染研究中心工作。Barrangou是一位微生物学家，已经研究了各种CRISPR防御机制的自然生物学近二十年，而Beisel是一位化学工程师，他与Barrangou一起研究了用1类CRISPR系统改造微生物。他们都很好奇格斯巴赫的实验室是否可以像在Cas9中一样在人体细胞中使用这些系统。

北卡罗莱纳州立大学益生菌研究杰出教授Todd R. Klaenhammer教授Barrangou说：“这项工作及其所产生的技术是北卡罗莱纳州研究三角的跨学科和跨大学的协作如何具有高度创新性和生产力的绝佳示例。 。

现在，该团队对他们的研究以及该领域其他研究人员的研究感到乐观，这将激发对1类CRISPR系统的新研究。

Gersbach说：“该项目的目的是探索CRISPR系统的多样性。”“在过去的十年中，已经有成千上万篇关于CRISPR-Cas9的论文，但是我们一直在不断学习有关它的新知识。通过这项研究，我们将这种思维方式应用到了其中的另外90%。”

到目前为止，该团队已经证明，这些1类系统在准确性和应用方面可与CRISPR-Cas9媲美。当他们考虑未来的方向时，他们很好奇地探索了这些系统与2类同类系统之间的差异，以及这些差异如何对生物技术应用有用。

该团队还对研究Class 1系统如何应对CRISPR-Cas研究的一般挑战感兴趣，特别是使潜在治疗应用复杂化的问题，例如对Cas蛋白的免疫反应以及同时使用多种类型的CRISPR实现不同基因组工程功能的问题。

Gersbach说：“我们知道CRISPR可能对人类健康产生重大影响。”“但是我们仍处于了解如何使用CRISPR，它可以做什么以及我们可以使用哪些系统的开始。我们希望这个新工具将为基因组工程的新领域提供支持。”