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人類首次在太空中完成CRISPR基因編輯，通過DNA修復(fù)研究，為星際旅行做準(zhǔn)備
眾所周知，環(huán)境因素會(huì)造成生物體的DNA損傷，例如紫外線。在人類和動(dòng)物中，這種DNA損傷可能會(huì)導(dǎo)致癌癥。但幸運(yùn)的是，細(xì)胞有幾種不同的策略修復(fù)受損DNA。 生活在地球上的人類，受到了地球磁場(chǎng)和大氣層的保護(hù)，隔絕了絕大多數(shù)來自太空的有害輻射，然而，太空中的宇航員離開了地球的保護(hù)，他們會(huì)受到更強(qiáng)的輻射，因此面臨更強(qiáng)的DNA損傷風(fēng)險(xiǎn)。 現(xiàn)在，中國和美國都宣布了載人登陸火星的計(jì)劃，這種長期的星際旅行，宇航員們會(huì)面臨長期太空輻射，身在太空微重力環(huán)境下的他們，身體會(huì)選擇怎樣的策略來修復(fù)輻射導(dǎo)致的DNA損傷呢？限于之前的技術(shù)和安全障礙，這個(gè)問題一直沒能得到研究。 2021年6月30日，MiniPCR Bio、麻省理工學(xué)院、美國宇航局，以及幾位美國中學(xué)生，在 PLOS One 期刊發(fā)表了題為：A CRISPR-based assay for the study of eukaryotic DNA repair onboard the International Space Station 的研究論文。 這項(xiàng)研究是首次在太空中完成的CRISPR基因編輯實(shí)驗(yàn)，為研究太空微重力環(huán)境下DNA損傷修復(fù)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于人類探索廣闊的太空，以及將來的星際旅行，甚至星際移民具有重要意義。
在國際空間站中，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備等多種條件限制，難以直接觀察細(xì)胞如何修復(fù)更復(fù)雜或更廣泛的損傷。因此，研究團(tuán)隊(duì)想到了CRISPR基因編輯，使用CRISPR基因編輯造成細(xì)胞DNA的精確損傷，然后在國際空間站的宇航員就可以觀察細(xì)胞上如何將這些DNA損傷修復(fù)的。 宇航員在國際空間站上通過對(duì)酵母細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)，使用CRISPR基因編輯酵母細(xì)胞，使其DNA產(chǎn)生精確損傷、培養(yǎng)酵母使其修復(fù)DNA、提取基因組并PCR，以及對(duì)基因組進(jìn)行納米孔測(cè)序，這些全部實(shí)驗(yàn)過程均在國際空間站的太空飛行環(huán)境中進(jìn)行。
研究團(tuán)隊(duì)使用了營養(yǎng)缺陷型酵母，這種酵母由于缺乏尿嘧啶生物合成所必須的URA3基因，因此無法在不含尿嘧啶的人工合成培養(yǎng)基中生存繁殖。 然后，NASA宇航員對(duì)這些酵母進(jìn)行了轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)入攜帶了URA3基因、Cas9基因和靶向ADE2基因的sgRNA，以及針對(duì)ADE2基因的修復(fù)模板。 正常情況下，酵母在培養(yǎng)基上形成的菌落為白色，而當(dāng)ADE基因突變后，菌落呈紅色。
質(zhì)粒轉(zhuǎn)化后，這些營養(yǎng)缺陷型酵母由于導(dǎo)入了URA3基因，從而可以在不含尿嘧啶的人工合成培養(yǎng)基中生存和繁殖并形成菌落，而且，觀察到了培養(yǎng)基中出現(xiàn)了紅色酵母菌落，可以直觀看出CRISPR基因編輯成功編輯了ADE2基因。PCR實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了CRISPR基因編輯的成功。 此外，還通過納米孔測(cè)序，進(jìn)一步推斷這些酵母所采取的細(xì)胞修復(fù)機(jī)制，測(cè)序結(jié)果表明，所有被成功基因編輯的呈紅色的菌落，它們的基因序列與修復(fù)模板序列一致，這表明它們都是通過同源重組進(jìn)行的修復(fù)，而不是非同源末端連接的修復(fù)方式。這位將來量化DNA修復(fù)途徑奠定了基礎(chǔ)。
這項(xiàng)研究成功證明了這種新方法的可行性，這項(xiàng)研究標(biāo)志著CRISPR/Cas9基因組編輯首次在太空成功進(jìn)行，這也是首次在太空中向活細(xì)胞中導(dǎo)入來自生物體外部的遺傳物質(zhì)。 研究團(tuán)隊(duì)表示，希望這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)μ罩械腄NA修復(fù)進(jìn)行廣泛的研究，接下來還將繼續(xù)改進(jìn)新方法，以便更好地模擬電離輻射引起的復(fù)雜DNA損傷。 值得一提的是，這項(xiàng)研究的想法，是由美國兩個(gè)高中的幾名學(xué)生提出，并在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和NASA的支持下得以完成。 總的來說，這項(xiàng)研究不僅在太空極端環(huán)境下成功進(jìn)行了CRISPR基因組編輯、miniPCR和納米孔測(cè)序等新技術(shù)，而且還能將這些新技術(shù)整合到一起，用來研究太空微重力環(huán)境下的DNA修復(fù)和其他細(xì)胞基本過程。這對(duì)于人類探索廣闊的太空，以及將來的星際旅行，甚至在星際移民具有重要意義。 論文鏈接： https://doi.org/10.1371/journal.pone.0253403 |
