神奇的系统使研究人员能够调节基因的活动,使之协调一致

时间:2019-12-22 18:13 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

神奇的系统使研究人员能够调节基因的活动,使之协调一致

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基因组研究已经开启了编辑活细胞基因组的能力;然而,到目前为止,这些变化的影响必须单独加以研究。相反,那些在基础研究和应用研究中都有意义的复杂特性,例如那些与微生物生物燃料生产相关的特性,涉及到许多协同作用的基因。一个新开发的系统将允许研究人员同时微调多个基因的活动。

伊利诺斯大学化学与生物分子工程教授赵慧敏领导了这项研究。赵和他的研究团队在最近出版的《自然》杂志上描述了他们的新功能基因组系统,并将其命名为多功能全基因组CRISPR (MAGIC)

通信的性质

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“使用魔法,我们可以调节几乎所有的~6000

基因

在整个酵母基因组中分别或结合不同的表达水平,”赵说。赵在伊利诺斯州卡尔·r·沃斯基因组生物学研究所(IGB)领导一个跨学科研究小组,旨在开发复杂的合成生物学工具来支持生物系统工程;魔术是最新的步骤之一,以精简这种工作在酵母。

“C”在“MAGIC”中是“CRISPR”的缩写,它代表一种用来编辑DNA的分子系统。它的全称是短回文重复序列,它们之间有规律的间隔,指的是能够保护细菌不受病毒侵害的DNA序列。这些序列的关键部分帮助细菌产生的特殊分子识别和切割病毒基因组,有效地使它们失效。

研究人员设计了自己的DNA序列,在CRISPR系统中工作,以精确编辑生物的基因组。这些最初从细菌中借来的分子已经被调整,这样它们就可以根据基因组中切割和修复的方式,对它们的目标基因产生几种影响之一,要么增加、减少,要么完全消除基因活性。

然而,到目前为止,还没有一种简单的方法可以同时使用多种编辑模式。研究人员可以探索不同变化的影响,但不能轻易地将它们结合起来,就像在爵士三重奏中即兴演奏一样,在任何特定的时间只能演奏一种乐器。

赵说:“我们已经开发出了三功能的CRISPR系统,可以用于工程特定基因的表达到不同的表达水平。”换句话说,魔术允许研究人员将两种或全部三种乐器同时带入音乐环节。当与赵实验室创建的定制DNA序列的综合“文库”相结合时,他的团队可以同时探索打开、关闭和关闭酵母基因组中任何基因组合的效果。

探索这种基因组协调,多重同步编辑的协同效应,将使研究人员更好地理解和增强有用微生物的复杂性状和行为。例如,赵的团队利用这个神奇的系统来寻找帮助他们的酵母菌株容忍糠醛存在的编辑组合,糠醛是纤维素水解物的副产品,它可以限制用于纤维素生物燃料生产的酵母细胞的存活和活性。由此产生的转基因耐糠醛酵母菌在发酵过程中可以比亲本酵母菌产生更多的生物燃料。

赵和他的团队将他们的神奇文库中的序列导入酵母,寻找能够承受高水平糠醛的酵母细胞。他们发现一些存活下来的细胞已经接受了一些神奇的序列,这些序列改变了已知的与容忍糠醛有关的基因活动;本实验首次发现了其他基因的参与。该团队能够将这些有效的魔术序列之一整合到酵母基因组DNA中,然后测试进一步的序列如何增强耐受性。

“我们最激动的是魔术的能力,它能识别新的遗传决定因素和它们在改善复杂表型(如糠醛耐受性)中的协同作用,特别是当这些目标必须调节到不同的表达水平时,”赵说。由于MAGIC允许研究人员研究不同的基因变化如何结合在一起产生影响,新的系统可以更清晰地分析不同的生物过程如何涉及到一个特征。

赵说,这项工作的几个技术挑战之一是开发一种可以大规模有效进行的筛选方法,他希望将这种能力扩展到其他科学问题和其他生物体。

“这些挑战应该得到解决,以便将魔法应用于其他真核生物系统,如工业生物

酵母

菌株和哺乳动物细胞,”他说。

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DOI: 10.1038 / s41467 - 019 - 13621 - 4

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