Mol Cell:新研究讓CRISPR基因編輯更加安全和更加精確

2020-11-25 生物谷

2018年8月7日/

生物谷

BIOON/---近年來最重要的科學進步包括利用一種快速的負擔得起的CRISPR技術發現和開發對生物進行基因改造的新方法。如今，在一項新的研究中，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員表示他們對這種技術進行簡單地改進，這將導致它更準確地和更安全地進行基因編輯，從而為足以安全地在人體中進行基因編輯打開大門。

這些研究人員發現確鑿的證據表明作為當前用於CRISPR基因編輯的最受歡迎的酶，也是第一個被發現的CRISPR蛋白，Cas9在基因編輯效率和精確度上低於一種較少使用的被稱作Cas12a（之前被稱作Cpf1）的CRISPR蛋白。相關研究結果於2018年8月2日在線發表在Molecular Cell期刊上，論文標題為「Kinetic Basis for DNA Target Specificity of CRISPR-Cas12a」。

圖片來自T. Yamano and H. Nishimasu。


鑑於Cas9更有可能在植物或動物基因組的錯誤位點上進行編輯，從而破壞健康的功能，這些研究人員認為切換到Cas12a將導致更安全的更有效的基因編輯。

論文共同作者、德克薩斯大學奧斯汀分校分子生物科學助理教授Ilya Finkelstein說，「總體目標就是發現大自然給我們提供的最好的酶，然後讓它變得更好，而不是採用由於歷史偶然事件而被發現的首個酶。」

科學家們已利用CRISPR---

細菌

用來抵禦病毒的一種天然機制---更多地了解人類基因，對植物和動物進行基因改造，並取得受到科學小說啟發的進步，比如培育出含有抗肥胖小鼠基因的豬，從而獲得更瘦的燻肉。許多人期待利用CRISPR能夠開發出新的更好的人類疾病療法和具有更高產量或抵抗乾旱和害蟲的作物。

但是在自然界中發現的CRISPR系統有時會靶向基因組中的錯誤位點，因此當將它用於人類中時，這可能會帶來災難性的後果，比如它未能校正導致

遺傳

疾病的基因突變，而是將健康細胞轉變為癌細胞。

之前的一些研究已提示著Cas12a比Cas9更加挑剔，但是在此之前這一切尚無定論。這些研究人員說，這項最新研究最終證實Cas12a是一種比Cas9更精確的基因編輯手術刀並解釋著為何會如此。

在Rick Russell教授和研究生Isabel Strohkendl的領導下，這些研究人員發現Cas12a更加挑剔，這是因為它像魔術貼（Velcro）那樣結合到基因組靶位點上，而Cas9更像是強力膠（super glue）那樣結合到它的靶位點上。對這兩種酶而言，它們中的每一種酶都攜帶著一小段RNA（即嚮導RNA, gRNA），其中gRNA與靶DNA片段相匹配。當接觸到某種DNA片段時，每一種酶都開始嘗試著通過形成鹼基對來結合到這種DNA片段上---從它的一端開始並沿著它前進，並進行測試以便觀察DNA上的每個鹼基與gRNA的匹配程度。

對Cas9而言，每個鹼基對緊緊地結合在一起，就像少量的強力膠一樣。如果gRNA和DNA的前幾個鹼基匹配良好，那麼Cas9已與DNA緊密地結合在一起。換句話說，Cas9會關注基因組靶標中的前七個或八個鹼基，但隨著這個匹配過程繼續進行，它就不那麼注意後面鹼基的匹配性，這意味著它很容易忽略這個匹配過程後面發生的不匹配，這會導致它在基因組的錯誤位點上進行編輯。

對Cas12a而言，它更像是一個魔術貼扣帶。在沿著DNA前進的每個位點上，它與DNA位點之間的結合相對較弱。為了讓gRNA和DNA足夠長時間地結合在一起而進行基因編輯，這就需要這兩者在整個過程中都存在很好的匹配。這使得它更可能僅對基因組中的預期部分進行編輯。

Russell說，「這使得鹼基對形成過程是更加可逆的。換句話說，Cas12a能夠更好地檢查每個鹼基配對，隨後才移動到下一個鹼基。在移動7到8個鹼基後，Cas9停止檢查，然而Cas12a繼續檢查大約18個鹼基。」

這些研究人員表示Cas12a仍然不完美，但是這項研究還提出了對Cas12a進行進一步改進的方法，也許有一天會實現創建「精確手術刀（precision scalpel）」的夢想，這本質上是一種防錯的基因編輯工具。

Finkelstein說，「總的來說，Cas12a更好，但是令人吃驚的是，在有些地方，Cas12a仍然對gRNA和基因組靶標之間的錯誤配對視而不見。因此，我們所要做的是為進一步改進Cas12a提供明確的前進道路。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Isabel Strohkendl, Fatema A.Saifuddin, James R.Rybarski et al. Kinetic Basis for DNA Target Specificity of CRISPR-Cas12a. Molecular Cell, Published Online: 02 August 2018, doi:10.1016/j.molcel.2018.06.043.

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