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将表型与基因型联系起来是一种新设计的基因编辑策略

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多年来,研究人员一直在寻找模仿这些能力的方法,但是在遗传尺度上,以便准确有效地改变遗传信息。开发“微软的DNA词汇”将使科学家有机会更好地研究个体基因的功能和导致遗传疾病的突变。通过一项名为CRISPR-Cas9的发现,科学家们从DNA打字机永远升级为DNA文字处理器;编辑基因具有相同的简易性,精确性和多功能性。由于其灵活性和可定制性,该技术获得了巨大的吸引力和普及。

虽然功能强大,但是它不是一种完美的技术,而且与其他技术一样,有其缺点和局限性。其主要用途之一涉及精确靶向和突变感兴趣的基因,使其不再在特定类型的细胞内起作用。当基因变得无功能时,可以研究细胞的任何特征变化(称为表型),以便更好地了解特定基因的作用。但是,CRISPR变异个体基因的方式可能对研究人员构成挑战。当置于细胞中时,CRISPR-Cas9系统通过切割细胞的DNA精确地突变靶基因。然后细胞主要通过称为非同源末端连接(NHEJ)的过程修复其破碎的DNA。但是这种修复过程容易出错并且可能导致修复DNA的变异;通常会导致遗传密码的替换,删除或添加。增加挑战的是,CRISPR的效率可以变化,其作用是使靶基因的两个拷贝无功能或有时仅一个。这些未知的CRISPR引起的DNA变化可能使科学家极难解释观察到的表型的潜在遗传原因;使工具远没那么有用。

在Cell Reports最近的一篇出版物中,马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI)的Taniguchi实验室开发了一种新的方法,可以将表型与基因型联系起来。Taniguchi实验室创新地将激光显微切割的尖端技术与单细胞基因分型相结合,设计了一种实验管道,能够研究CRISPR介导的细胞效应,同时准确地确定导致它们的确切DNA变化。这一新颖的方案将为神经生物学开辟新的研究途径,并进一步提升CRISPR已经强大的能力。

“虽然CRISPR精确靶向感兴趣的基因,但由于NHEJ,它的影响可能变化很大,”研究员,该研究的第一作者Andre Steinecke博士解释道。“CRISPR可以使细胞具有完全无功能的基因,弱基因甚至有时甚至可以增强它们的功能。当去除导致细胞非常显着影响的基因时,这不是一个问题,因为你可以很容易地看到蛋白质的变化和缺失。由基因编码。但有些,特别是大脑中的基因,没有明显的效果或很难想象。我们的目标是制定一个广泛适用的策略,能够可靠地确定确切的遗传原因并将其与观察到的表型。“

为了验证他们的策略,MPFI的团队设计了CRISPR技术,以靶向编码关键结构蛋白的锥体神经元中的基因,称为Ankyrin-G(AnkG)。通常,AnkG蛋白被限制在神经元的特定区域,称为轴突起始区段(AIS),其负责产生动作电位。当AnkG被移除时,AIS经历明显的增厚,可以使用显微镜检测到。利用这一特征,可以很容易地区分缺乏AnkG的神经元,然后可以确认它们的确切基因型。他们发现,主要用它们的CRISPR探针转染的神经元表现出AnkG的损失以及基本上增厚的AIS。但转染CRISPR的一小部分神经元仍然表现出与野生型神经元相当的AnkG水平和AIS厚度;证明CRISPR对不同细胞的不同影响。为了探测和确认潜在的遗传原因,该团队然后使用激光显微切割来分离和提取表型已被表征的单个神经元。一旦提取,该团队分别对每个单独的细胞进行测序以确定基因型。他们发现,他们的策略可以可靠且可重复地将观察到的表型与基因型联系起来,其中缺乏具有增厚轴突的AnkG的神经元显示基因的两个拷贝中的功能丧失突变,而具有正常水平的AnkG的神经元或者仅在一个拷贝中显示突变(用CRISPR转染的神经元或正常基因型(对照神经元)。

“基于CRISPR / Cas9的基因打靶对系统理解神经回路的装配,功能和功能障碍的分子基础具有很大的希望,”Hiroki Taniguchi博士指出。“通过我们的单细胞测序确定的基因型与从表型评估中推断出的基因型之间的完美匹配表明,我们的方法是一种强大的新方法,能够提高可靠性并扩展基于CRISPR技术的应用。”

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