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在一项新的研究中，北卡罗莱纳州立大学的研究人员描述了一系列分子工具的特征，这些工具可以重写——而不仅仅是编辑——生物体的大块DNA，这些工具基于CRISPR-Cas系统，该系统与自私的基因“搭便车者”转座子有关。
研究人员调查了不同的I-F型CRISPR-Cas系统，并设计它们将基因货物(多达10,000个额外的遗传密码字母)添加到转座子的货物中，从而对细菌进行所需的改变。大肠杆菌。
这一发现扩大了CRISPR工具箱，并可能在治疗学、生物技术和更可持续、更高效的农业中需要灵活的基因组编辑时，对细菌和其他生物体的操纵产生重大影响。
细菌利用CRISPR-Cas作为适应性免疫系统来抵御病毒等敌人的攻击。科学家们已经对这些系统进行了改造，以移除或切割和替换各种生物体中的特定遗传密码序列。这项新发现表明，大量的遗传密码可以被移动或添加，这可能会增加CRISPR的功能。
“在自然界中，转座子选择了CRISPR系统，自私地在生物体的基因组周围移动，以帮助自己生存。反过来，我们通过将可编程的CRISPR-Cas系统与转座子结合，来吸收自然界中发生的事情，该系统可以移动我们设计的基因货物，以执行某些功能，”北卡罗来纳州食品，生物加工和营养科学的托德·r·克伦哈默特约教授，a的通讯作者Rodolphe Barrangou说研究描述论文。
Barrangou说:“使用这种方法，我们证明了我们可以通过移动DNA块多达10,000个字母来设计基因组。”“《自然》杂志已经做到了这一点——生物信息学数据显示了多达10万个基因字母被基于转座子的CRISPR系统移动的例子——但现在我们可以通过使用这个系统来控制和设计它。
“为了完成搭便车的类比，我们正在设计搭便车者将某些行李或货物带入汽车，以便在汽车到达目的地时提供某种类型的有效载荷。”
研究表明，研究人员证明了该方法在实验室的体外实验台上和在体内的有效性大肠杆菌。研究人员选择了10个不同的crispr相关转座子来测试该方法的有效性。这种方法对所有10个转座子都有效，尽管它们的有效性会因温度和转座子所载货物的大小等因素而有所不同。
北卡罗来纳州立大学研究生、该研究的第一作者艾弗里·罗伯茨(Avery Roberts)说:“令人兴奋的是，我们测试的所有系统都是在将它们从原生生物形式重建成基因组编辑工具后发挥作用的。”“我们发现了这些系统的新功能，但随着该领域的快速发展，可能还会有更多相关的发现和应用。”
研究还表明，该方法可以同时用于不同的转座子。
Barrangou说:“与其他CRISPR系统(如更熟悉的II型cas9系统)不同的是，我们可以引入一个完整的代谢途径，将一套全新的功能整合到一个有机体中。”“在未来，这可能意味着为植物提供更灵活的抗病性或抗旱性。”
先正达种子公司全球种子研究负责人吴谷穗说:“我们对这些发现感到兴奋，并看到了将这些新发现的系统应用于作物植物的潜力，以加速更有弹性、产量更高的品种的发展。”
Barrangou和Wu补充说，这项研究中的工作提供了一个很好的公私合作伙伴关系的例子，这种伙伴关系可以推动科学发现和培训未来的劳动力。
这篇论文发表在核酸研究。资金由先正达种子公司提供。该论文的共同作者包括北卡罗来纳州立大学研究生Avery Roberts和前北卡罗来纳州立大学博士生Matthew Nethery。
-kulikowski -
给编辑的说明以下是论文摘要。
不同I-F型crispr相关转座子的功能表征
作者: Avery Roberts, Matthew A. Nethery和Rodolphe Barrangou，北卡罗来纳州立大学
发表: 2022年11月17日核酸研究
DOI: 10.1093 / nar / gkac985
摘要CRISPR-Cas系统通常通过rna引导降解噬菌体和质粒等外源遗传元件在原核生物中提供适应性免疫。然而，最近，转座子编码和核酸酶缺陷的CRISPR- cas系统被表征并显示被tn7样转座子用于CRISPR RNA引导的DNA转座。作为一种基因组工程工具，这些CRISPR-Cas系统及其相关转座子蛋白可以用于可编程的、位点特异性的大容量货物DNA整合，避免了DNA切割和同源定向修复的需要，包括内源性修复机制。在这里，我们选择了一组来自Gammaproteobacteria的I-F3型crispr相关转座子系统，预测了转座子活性所需的所有成分，并将它们部署在其中进行功能测试大肠杆菌。我们的研究结果表明，这些系统在温度、转座子大小和柔性PAM要求方面具有显著的集成效率。此外，我们的研究结果支持将这些系统分类为功能相容性组，以实现高效和正交的rna引导DNA整合。这项工作用新的CRISPR rna引导的DNA整合酶扩展了基于CRISPR的工具箱，可以应用于复杂和广泛的基因组工程工作。
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