研究人员利用DNA“线索”将CRISPR-Cas9基因编辑工具穿梭到细胞中

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马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员首次创造并使用了一种由DNA制成的纳米载体，将CRISPR-Cas9基因编辑工具导入细胞培养和动物模型中。

在细菌和古细菌中发现的CRISPR-Cas系统可以保护细菌免受病毒等入侵者的侵袭。它通过制造一种叫做CRISPR RNA的小链RNA来实现这一点，CRISPR RNA可以匹配特定于特定入侵者的DNA序列。当这些CRISPR rna找到匹配，它们释放Cas9蛋白质，切断DNA。近年来，CRISPR-Cas系统因其作为基因编辑工具的潜在用途而受到了学术界的广泛关注——CRISPR RNA识别相关DNA的目标部分，Cas蛋白对其进行切割。

但是Cas9要完成它的工作，它必须首先找到进入细胞的途径。这项工作的重点是展示一种新载体的潜力，它可以直接将整个基因编辑工具CRISPR-Cas9复合物引入细胞。

“传统上,研究人员交付到目标细胞DNA CRISPR RNA和Cas9细胞本身——但这范围内控制其用量,“说追逐贝赛,文章的第二作者的纸和助理教授在化学与生物分子工程系数控状态。“通过直接运送Cas9蛋白本身，而不是把细胞变成Cas9工厂，我们可以确保细胞接收到主动编辑系统，并减少意外编辑的问题。”

“我们的输送机制类似于一个纱线球，或线索，所以我们称之为纳米针线，”该论文的高级合著者、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳- ch大学联合生物医学工程项目的助理教授Gu Zhen说。“因为纳米针眼是由基于dna的材料制成的，它具有高度的生物相容性。它还可以自组装，便于定制。”

纳米爪是由单一的、紧密缠绕的DNA链组成的。这种DNA被设计成可以部分补充它将携带的相关CRISPR RNA，使CRISPR-Cas9复合体——一种与Cas9蛋白结合的CRISPR RNA——松散地附着在纳米针孔上。“多个CRISPR-Cas复合物可以附着在一个纳米针孔上，”该研究的第一作者、谷博士实验室的博士生孙武进说。

当纳米夜蛾接触到一个细胞时，细胞会完全吸收纳米夜蛾——将其吞下，并将其包裹在一个称为核内体的保护鞘中。但是纳米针鼹被一层带正电荷的聚合物包裹，这种聚合物可以分解核内体，让纳米针鼹在细胞内自由活动。CRISPR-Cas9复合物可以将自己从纳米线中解放出来，进入细胞核。一旦CRISPR-Cas9复合体到达细胞核，基因编辑就开始了。

为了测试纳米级CRISPR-Cas递送系统，研究人员在小鼠体内处理癌细胞培养物和肿瘤。相关的癌细胞被修饰以表达荧光蛋白。简而言之，他们都容光焕发。纳米爪上的CRISPR rna被设计成针对癌细胞中负责制造荧光蛋白的DNA。如果发光停止了，纳米爪就起作用了。

他们确实起作用了。超过三分之一的癌细胞停止表达荧光蛋白，”Beisel说。

“这项研究是一个概念证明，还需要做更多的工作——但它很有前途，”Gu说。

纸”,用于CRISPR-Cas9基因组编辑的自组装DNA纳米链，发表在该杂志上《应用化学》．合著者包括北卡罗来纳州立大学的本科生乔丹·霍尔(Jordan Hall);以及联合生物医学工程项目的姬文彦、胡泉音和王超。这项研究得到了国立卫生研究院临床和转化科学奖(NC- ch)和国家科学基金会(MCB-1452902)的支持，资助编号为1UL1TR001111。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

“高效传递CRISPR-Cas9用于基因组编辑的自组装DNA纳米链”

作者:孙武进、纪文彦、胡泉音、王超、顾真、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校;Jordan M. Hall和Chase L. Beisel，北卡罗莱纳州立大学

发表: 8月27日,《应用化学》

DOI: 10.1002 / anie.201506030

文摘:CRISPR-Cas9是一个很有前途的基因组编辑平台，但其安全高效的传递手段仍有待完全实现。一种新型载体可以同时递送Cas9蛋白和单导RNA (sgRNA)，它基于DNA纳米链，这种纱线状的DNA纳米粒子是通过滚圈放大合成的。这种受生物启发的载体有效地装载了Cas9/sgRNA复合物，并将复合物运送到人类细胞的细胞核，从而在保持细胞活力的同时能够破坏靶向基因。当DNA纳米线序列和sgRNA引导序列部分互补时，编辑效率最高，这为增强递送提供了设计规则。总的来说，这种策略提供了一种通用的方法，可以适用于递送其他dna结合蛋白或功能核酸。