当使用CRISPR编辑细菌时少即是多

系统地减弱DNA靶向活性可以在细菌中实现CRISPR驱动的编辑，从而大大提高菌落计数，甚至增加精确基因组编辑的频率。维尔茨堡亥姆霍兹研究所(HIRI)与不伦瑞克亥姆霍兹感染研究中心(HZI)合作进行的一项研究表明了这一点。研究结果今天发表在《自然通讯》杂志上。

对细菌进行基因操纵的能力一直是探索微生物世界的关键。基因组编辑对于开发新抗生素和利用细菌作为化学品、材料和治疗方法可持续生产的微型工厂至关重要。基于CRISPR“基因剪刀”的工具已被证明在这方面很有帮助，可以快速、简单和可靠地在不同细菌中创建编辑。

通用技术需要CRISPR核糖核酸(crRNA)作为“向导RNA”。它有助于检测基因组的某些区域以进行靶向DNA切割。参与同源重组的蛋白质-染色体之间交换遗传物质的自然过程-随后编织设计好的“修复模板”DNA，以创建编辑的链序列。

打破绊脚石

在目前的研究中，维尔茨堡亥姆霍兹基于RNA的感染研究所(HIRI)的研究人员与不伦瑞克的亥姆霍兹感染研究中心(HZI)合作，解决了细菌基因组编辑的核心挑战。

“基于CRISPR的基因组编辑已经成为一种常见的分子技术，但有一个明显的绊脚石，”领导这项研究的HIRI部门负责人ChaseBeisel说。“在指数增长期间，细菌在一个细胞周期中多次启动基因组复制，以跟上细胞分裂的步伐。通过有效地切割DNA，CRISPR导致细胞过早死亡。因此，编辑需要高效的重组和高转化效率，这在大多数细菌菌株中是不具备的，包括与人类疾病和工业生物技术相关的菌株，“Beisel解释说。

一个看似矛盾的概念

维尔茨堡亥姆霍兹研究所Beisel实验室的博士后DaphneCollias是该研究的第一作者。在描述研究结果的背景时，她说：“我们发现减弱CRISPR的切割活性将允许细胞使用提供的同源重组模板修复切割的DNA。因此，我们可以驱动同源重组并获得更多存活的细胞。

研究人员还开发了一套可以拉回活性的方法，包括使用不同格式的引导RNA来指导Cas9蛋白的切割，使用切割效率较低的Cas9版本，减少引导RNA表达，在引导RNA上引入干扰结构，以及突变用于寻找其DNA靶标的引导RNA中的序列。

“我们称修饰的向导RNA为'减毒向导RNA'或atgRNA，代表了实现CRISPR驱动编辑的灵活方法，”Collias报道。“并非每种方法都能推动编辑，尽管我们通常可以为每种编辑设置找到至少一个。”

未来影响

作为原理验证，Beisel实验室与HZI部门负责人TillStrowig及其实验室合作，以加强对不同克雷伯氏菌菌株的编辑。使用多药耐药菌株，他们利用编辑来逆转对抗生素氨苄青霉素的耐药性。

新的编辑方法可以推进与人类健康有关的细菌的基础研究。编辑过的细菌也可以用作治疗性益生菌或作为未来治疗剂的生产宿主。