基因魔剪新系统，“基因魔剪”首次直接用于人体试验

科技日报记者张梦然

十年前，我们看到了现代生物学的突破。

一位美国科学家发现，对Cas9蛋白的操作产生了一种叫做CRISPR的科幻电影中几乎可以表达的基因技术。 请考虑一下可以切断和编辑人、动物、植物、细菌、甚至病毒的DNA的“分子剪刀”。 其潜力巨大、用途广泛，从消除遗传性疾病到产生能够经受气候变化的作物。

但是，和其他新技术一样，CRISPR也面临着挑战。 主要课题之一是使技术尽可能有效，确保“剪刀”只裁剪在想要的地方。

解释CRISPR背后的新机制

丹麦哥本哈根大学和奥胡斯大学的研究者共同进行的新研究，也可以解决这些问题。

研究人员表示，他们可以解释CRISPR背后的机制。 “我们现在可以解释为什么一些靶，即基因组其他地方的意外切割比预定位置的切割更有效。 另外，了解了目标周边不同的DNA序列如何影响Cas9蛋白质切割DNA的效率。 这些知识将为更有效和安全地使用CRISPR铺平道路。 ”

CRISPR是如何工作的呢？ 首先，科学家设计诱导RNA，将其连接到Cas9蛋白上。 Cas9蛋白执行切断DNA的任务。 诱导RNA寻找一致的DNA部分。 如果找到正确的位置，Cas9就会切断DNA链。 目前，科学家可以将任何合成DNA片段插入到空旷的位置。

目前，CRISPR在医学背景下主要用于研究基因和药物的实验室工作原理，但尚未广泛应用于人类治疗。 但从长远来看，科学家们的目标仍然是应用CRISPR治疗人类遗传疾病。

有效的脱靶之谜解开

在上述新研究中，研究人员试图确定将RNA附着在DNA上的最佳方法，并使切割尽可能有效。 因为如果切割不够有效，科学家也无法编辑DNA。

研究表明，如果引导RNA和DNA的纽带太弱，CRISPR不起作用，但纽带太强也不行。

研究人员确认，引导RNA和DNA之间的结合不过强、不过弱的间隔正好能给剪刀带来完美的锋利感。 “有趣的是，这一观察结果还可以用于解释部分脱靶显示出比预期更强的CRISPR活性的原因，即为什么‘剪刀’对部分脱靶比目标更尖。 ”

该研究还确定了Cas9蛋白的最佳位置，以实现最有效的切割。 在Cas9切割DNA之前，蛋白质必须与DNA链的特定部分结合。 DNA由四种不同的核苷酸构成。 a、c、g、t、Cas9只能与含有两个连续g核苷酸的序列结合。

小组确定了多个连续的g核苷酸对Cas9的影响。 在这种情况下，由于每2个连续的g都在竞争与Cas9的结合，所以很难击中目标。

这些关于CRISPR如何工作的新知识也有助于科学家们更容易识别Cas9的正确位置，最大限度地减少副作用的发生。

同时，也有望在未来准确预测切割，改进靶点编辑，消除脱靶点。 由于脱靶需要大量资源，这一点使新药的开发复杂化。

脱靶也可能有害

团队的另一项研究侧重于脱靶。

为了对CRISPR实验进行质量控制，科学家通常选择少量计算机预测的靶进行测试。 但是使用新技术，他们可以测试更多的脱靶，这有助于开发副作用更少的新药。

实验测试了110个CRISPR诱导RNA的8000个潜在脱靶。 他们发现，在8000个潜在目标中，约有10%实际上偏离了目标。 新发现的脱靶目标比使用现有方法多得多。

他们还发现，这些脱靶基因中有37个位于癌症相关基因中，这些基因意外断裂引起的副作用也可能导致癌症。

因此，人们必须更多地认识这个脱靶。

研究人员表示，现有的基因编辑研究往往缺乏完整的工具和分析，无法证明这些研究没有脱靶效应。 新方法可以更好地检查这一点，将对未来产生重大影响。

他们说，过去十年，迈出了基因组编辑的一大步。 现在，人们正在使这项技术更好、更安全、更有效。 新方法也可以支持绿色转型，因为基因修饰(如用于生产的细胞)可以使资源利用更具成本效益。

这两项研究发表在《自然通讯》。

资料来源：科技日报