人类首次在太空中完成CRISPR基因编辑,通过DNA修复研究,为星际旅行做准备

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人类首次在太空中完成CRISPR基因编辑,通过DNA修复研究,为星际旅行做准备

撰文|王聪

编辑|nagashi

排版|水成文


众所周知,环境因素会造成生物体的DNA损伤,例如紫外线。在人类和动物中,这种DNA损伤可能会导致癌症。但幸运的是,细胞有几种不同的策略修复受损DNA。

生活在地球上的人类,受到了地球磁场和大气层的保护,隔绝了绝大多数来自太空的有害辐射,然而,太空中的宇航员离开了地球的保护,他们会受到更强的辐射,因此面临更强的DNA损伤风险。

现在,中国和美国都宣布了载人登陆火星的计划,这种长期的星际旅行,宇航员们会面临长期太空辐射,身在太空微重力环境下的他们,身体会选择怎样的策略来修复辐射导致的DNA损伤呢?限于之前的技术和安全障碍,这个问题一直没能得到研究。

2021年6月30日,MiniPCR Bio、麻省理工学院、美国宇航局,以及几位美国中学生,在 PLOS One 期刊发表了题为:A CRISPR-based assay for the study of eukaryotic DNA repair onboard the International Space Station 的研究论文。

这项研究是首次在太空中完成的CRISPR基因编辑实验,为研究太空微重力环境下DNA损伤修复奠定了基础,对于人类探索广阔的太空,以及将来的星际旅行,甚至星际移民具有重要意义。

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在国际空间站中,受实验设备等多种条件限制,难以直接观察细胞如何修复更复杂或更广泛的损伤。因此,研究团队想到了CRISPR基因编辑,使用CRISPR基因编辑造成细胞DNA的精确损伤,然后在国际空间站的宇航员就可以观察细胞上如何将这些DNA损伤修复的。

宇航员在国际空间站上通过对酵母细胞的实验,使用CRISPR基因编辑酵母细胞,使其DNA产生精确损伤、培养酵母使其修复DNA、提取基因组并PCR,以及对基因组进行纳米孔测序,这些全部实验过程均在国际空间站的太空飞行环境中进行

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研究团队使用了营养缺陷型酵母,这种酵母由于缺乏尿嘧啶生物合成所必须的URA3基因,因此无法在正常培养基中生存繁殖。

然后,NASA宇航员对这些酵母进行了转化实验,导入携带了URA3基因、Cas9基因和靶向ADE2基因的sgRNA,以及针对ADE2基因的修复模板。

正常情况下,酵母在培养基上形成的菌落为白色,而当ADE基因突变后,菌落呈红色。

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质粒转化后,这些营养缺陷型酵母由于导入了URA3基因,从而可以在培养基中生存和繁殖并形成菌落,而且,观察到了培养基中出现了红色酵母菌落,可以直观看出CRISPR基因编辑成功编辑了ADE2基因。PCR实验进一步证明了CRISPR基因编辑的成功。

此外,还通过纳米孔测序,进一步推断这些酵母所采取的细胞修复机制,测序结果表明,所有被成功基因编辑的呈红色的菌落,它们的基因序列与修复模板序列一致,这表明它们都是通过同源重组进行的修复,而不是非同源末端连接的修复方式。这位将来量化DNA修复途径奠定了基础。

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这项研究成功证明了这种新方法的可行性,这项研究标志着CRISPR/Cas9基因组编辑首次在太空成功进行,这也是首次在太空中向活细胞中导入来自生物体外部的遗传物质。

研究团队表示,希望这项技术能够对太空中的DNA修复进行广泛的研究,接下来还将继续改进新方法,以便更好地模拟电离辐射引起的复杂DNA损伤。

值得一提的是,这项研究的想法,是由美国两个高中的几名学生提出,并在学术界、工业界和NASA的支持下得以完成。

总的来说,这项研究不仅在太空极端环境下成功进行了CRISPR基因组编辑miniPCR纳米孔测序等新技术,而且还能将这些新技术整合到一起,用来研究太空微重力环境下的DNA修复和其他细胞基本过程。这对于人类探索广阔的太空,以及将来的星际旅行,甚至在星际移民具有重要意义。

论文链接:
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0253403

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