Nature子刊:當心!DNA扭曲增加CRISPR-Cas9脫靶編輯風險

2020-11-24 生物谷

2019年3月9日訊/

生物谷

BIOON/---在一項新的研究中，來自英國帝國理工學院和

阿斯利康

公司的研究人員指出當使用CRISPR-Cas9時，在基因表達和其他細胞過程中經常發生的DNA扭曲可能導致基因組脫靶變化。這些研究結果可能有助於為在臨床應用上提高基因編輯準確性鋪平道路。相關研究結果發表在2019年3月的Nature Structural and Molecular Biology期刊上，論文標題為「DNA stretching induces Cas9 off-target activity」。

圖片來自David Rueda。

在基因表達過程中，DNA被拉伸和扭曲，從而使得它脫離正常的形態。雖然這對細胞自身的分子機器（比如細胞中用於轉錄和複製的蛋白複合物）的正常功能是必需的，但是它可能通過增加脫靶編輯的風險給CRISPR-Cas9基因編輯帶來挑戰，畢竟脫靶編輯潛在地導致有害的變化。

CRISPR-Cas9是一種允許人們發現和編輯DNA鏈的基因編輯工具。隨著科學家們在醫學、藥物發現和農業等多個領域使用CRISPR-Cas9，它因它的多種用途獲得了全球的認可。

在這項新的研究中，CRISPR-Cas9的準確度和精確度是通過一種新的方法進行研究的：使用光學鑷子---一種使用雷射束操縱DNA的工具---模擬DNA自然經歷的扭曲，就像是細胞的分子機器讀取了它。他們隨後利用CRISPR-Cas9編輯基因並使用螢光顯微鏡監測它的準確性。結果表明，當DNA鬆散和鬆弛時，CRISPR是準確的，但是當DNA發生扭曲---在這種情況下，DNA遭受高度拉伸---時，CRISPR編輯準確性降低，並且觀察到脫靶編輯。了解這種效應將有助於設計具有更高準確度的CRISPR系統，以及評估這種風險的方法。

論文共同通訊作者、帝國理工學院的David Rueda教授說，「CRISPR-Cas9作為一種有助於預防或抵抗因DNA突變引起的疾病的潛在工具而備受矚目，我們想要研究它的準確性。當我們操縱DNA結構來模擬DNA經歷的自然扭曲時，我們發現在非預期的位點上進行編輯。在這種情形下，CRISPR-Cas9在靶向系統中顯示多達50%的錯配，這將是在臨床環境中使用這種基因編輯工具時需要考慮的一個問題。」

「另一方面，非常積極的是，我們已開發了一種可以清晰地對CRISPR-Cas9系統進行成像的方法，因此我們能夠研究錯誤發生的原因，並對這種技術進行調整以提高它的準確性和特異性。」

論文共同通訊作者、阿斯利康公司科學副主任Maria Emanuela Cuomo博士說，「在阿斯利康公司，我們正在努力了解CRISPR的作用機制，以便讓我們能夠為將來的研究和潛在治療目的設計改良的酶。這項研究增加了我們對CRISPR-Cas9的了解，並強調了未來的探索領域，以便更好地理解DNA結構與脫靶效應之間的關係。」

英國醫學研究委員會（MRC）

遺傳

學、

表觀遺傳學

和

基因組學

項目經理Lindsay Wilson博士（未參與這項研究）說，「這項研究至關重要，這是因為它有助於我們了解使用CRISPR的風險，比如編輯人體細胞。這最終可能導致人們開發降低這種風險的策略。英國醫學研究委員會支持利用基因組編輯開展科學和倫理上嚴格的實驗室研究，包括開展理解這些技術風險和限制以及解決這些問題的研究。」

這些研究人員表示他們接下來的步驟是確定他們如何可能能夠減少脫靶編輯的機會。他們計劃使用他們的新系統來進一步研究CRISPR的準確性，並且在理想情況下，根據他們的發現開發脫靶編輯預測算法。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Matthew D. Newton et al. DNA stretching induces Cas9 off-target activity. Nature Structural & Molecular Biology, 2019, doi:10.1038/s41594-019-0188-z.

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