由麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所以及麻省理工学院麦戈文脑研究所的研究人员领导的研究小组已经设计并设计了一种新的基因编辑系统，可以精确有效地将大DNA序列插入基因组。该系统利用蓝藻并称为CRISPR相关转座酶(CAST)，可以有效引入DNA，同时减少过程中容易出错的步骤 - 增加基因编辑技术的关键功能，并解决长期追求的精确目标基因编辑。

精确插入DNA有可能通过将新DNA整合到基因组中同时使疾病相关序列失效来治疗大量遗传疾病。为了在细胞中实现这一目标，研究人员通常使用CRISPR酶在有害序列的位点切割基因组，然后依靠细胞自身的修复机制将新旧DNA元件缝合在一起。但是，这种方法有许多局限性。

利用大肠杆菌细菌，研究人员现已证明，CAST可编程为在指定位点有效插入新DNA，编辑错误极少，无需依赖细胞自身的修复机制。据该团队称，与以前的技术相比，该系统具有更高效的基因插入潜力。

研究人员正在努力将这种编辑平台应用于真核生物，包括植物和动物细胞，用于精确研究和治疗应用。

该团队从两种蓝藻，Scytonema hofmanni和Anabaena cylindrica进行分子鉴定和利用CAST，并且还揭示了一些CRISPR系统在自然界中表现的新方式：不是为了保护细菌免受病毒侵害，而是为了促进转座子DNA的传播。

出现在“科学”杂志上的这项工作由第一作者，广播学院博士后研究员Jonathan Strecker领导;麻省理工学院的研究生Alim Ladha;和资深作者，张博士，广泛研究所的核心研究所成员，麻省理工学院麦戈文脑研究所的研究员，麻省理工学院的詹姆斯和帕特里夏普瓦特斯神经科学教授，以及麻省理工学院的副教授，并在各部门联合任命脑与认知科学与生物工程学士。合作者包括美国国立卫生研究院的Eugene Koonin。

CRISPR相关系统的新角色

“分子生物学长期以来广受欢迎的应用之一就是能够精确，高效，安全地将新DNA引入基因组，”张解释说。“我们过去曾研究过许多细菌蛋白质，以利用它们在人体细胞中进行编辑，我们很高兴能够进一步开发CAST并开辟这些操作基因组的新功能。”

为了扩展基因编辑工具箱，团队转向转座子。转座子(有时称为“跳跃基因”)是具有相关蛋白质的DNA序列 - 转座酶 - 允许将DNA切割并粘贴到其他位置。

大多数转座子似乎在整个细胞基因组中随机跳跃，并转向可能也存在于细胞中的病毒或质粒。然而，蓝细菌中的一些转座子亚型在计算上与CRISPR系统相关，表明这些转座子可以自然地被引导至更具特异性的遗传靶标。这种理论化的功能将成为CRISPR系统的新角色;大多数已知的CRISPR元件是细菌免疫系统的一部分，其中Cas酶及其指导RNA将靶向并破坏病毒或质粒。

在本文中，研究小组确定了工作中的机制，并确定一些与CRISPR相关的转座酶已经劫持了一种名为Cas12k的酶及其在特定目标上插入DNA的指南，而不仅仅是为了防御目的而切割目标。

“我们深入研究蓝藻中的这一系统，开始将CAST分开以了解其所有成分，并发现了这种新的生物学功能，”Strecker说，他是广泛研究所张氏实验室的博士后研究员。“基于CRISPR的工具通常是DNA切割工具，它们在破坏基因方面非常有效。相反，CAST自然地建立以整合基因。据我们所知，这是第一个被描述和操纵的系统。“

利用CAST进行基因组编辑一旦CAST系统的所有元素和分子要求暴露无遗，该团队就专注于编程CAST以在大肠杆菌中的所需位点插入DNA。

“我们在大肠杆菌中重建了该系统，并以一种有用的方式选择了这种机制，”Strecker说。“我们重新编程了系统，将长达10千碱基对的新DNA引入基因组中的特定位置。”

该团队设想基于该平台的基础研究，农业或治疗应用，例如引入新基因取代DNA已经以有害的方式发生变异 - 例如镰状细胞病。使用CAST开发的系统可能用于将基因的健康版本整合到细胞的基因组中，导致DNA失效或超控导致问题。

另外，根据该团队的说法，不是为了固定有害形式的基因而插入DNA，而是可以使用CAST来增加健康细胞，这些元素具有治疗上的有益作用。例如，在免疫疗法中，研究人员可能想要将“嵌合抗原受体”(CAR)引入T细胞基因组中的特定位点 - 使T细胞能够识别并破坏癌细胞。