CRISPR研究的突破可能会导致更有效和更安全的基因编辑

10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蛋白的操纵产生了一种堪比科幻电影的基因技术：CRISPR。

可以把它想象成一把分子剪刀，能够切割和编辑人类、动物、植物、细菌和病毒的DNA。

潜力是巨大的，涵盖了从消除遗传性疾病到生产能够抵御气候变化的作物的任何事情。

然而，与任何其他新技术一样，CRISPR也面临着挑战。主要挑战之一是使技术尽可能有效，并确保剪刀只剪到我们想要的地方。

“我们已经描述了CRISPR背后的新机制”

哥本哈根大学与奥胡斯大学的研究人员共同进行的两项新研究可以帮助解决这些问题。

“我们已经描述了CRISPR背后的新机制，”兽医和动物科学系的生物信息学教授JanGorodkin说。

“我们现在能够解释为什么一些脱靶(即基因组其他地方的意外切割)比靶上(即在预定位置切割)更有效。我们还了解了不同的DNA序列在“-target可以影响Cas9蛋白切割DNA的效率。希望这些知识将为更有效和更安全地使用CRISPR铺平道路。”

那么CRISPR是如何工作的呢?首先，科学家将设计一段合成RNA，称为引导RNA。然后将其连接到将执行切割DNA任务的Cas9蛋白。引导RNA侦察匹配的DNA部分。一旦引导RNA找到正确的位置，Cas9就会切断DNA链。现在，科学家能够将任何合成的DNA片段插入空出的位置。

如果Cas9和引导RNA击中目标，科学家们将其称为目标;如果他们击中另一个地方，他们就会偏离目标。

今天，CRISPR在医学背景下主要用于研究基因和药物在实验室中如何发挥作用，但仍未广泛用于人类治疗。然而，从长远来看，这个想法是使用CRISPR治疗某些遗传疾病。

解开有效脱靶之谜

在两项新研究中的一项中，研究人员试图确定引导RNA附着在DNA上的最佳方式，从而使切割尽可能有效——因为如果切割不够有效，科学家们将无法编辑DNA。

“我们已经知道，当引导RNA和DNA之间的结合太弱时，CRISPR并不能真正发挥作用。现在我们了解到，结合太强也是有问题的，”Gorodkin说。“在这两种情况下，基因剪刀都太弱且无效。”

研究人员随后确定了一个区间，在该区间内，引导RNA和DNA之间的结合既不太强也不太弱，但恰到好处，从而使剪刀具有完美的锋利度。

“有趣的是，这一观察结果也可以用来解释为什么一些脱靶显示出比它们预期的靶标更强的CRISPR活性——也就是说，为什么对于一些脱靶比在靶标上的剪刀更锋利，”Gorodkin解释说.

“这是因为太强的目标不落在正确的结合能区间内。但是如果你从这些强键中去除一些能量，这就是在脱靶位点发生的情况，你就可以进入间隔正确，产生更强大的效果，从而在脱靶时形成剪刀。”

该研究还确定了实现最有效切割的Cas9蛋白的最佳位置。

在Cas9能够切割DNA之前，蛋白质必须与DNA串的特定部分结合。DNA由四种不同的核苷酸组成：A、C、G和T，而Cas9只能与具有两个连续G核苷酸的序列结合。

现在，研究人员已经确定了多个连续G核苷酸对Cas9的影响——这种情况很难击中目标，因为每两个连续的G都在竞争与Cas9的结合。

“当‘上游’有多个G时，即在Cas9拟结合的序列之前，切割会更有效。但当‘下游’有多个G时，即在Cas9拟结合的序列之后绑定，切割效率较低，”博士后GiuliaCorsi解释道。

Corsi希望有关CRISPR工作原理的新知识能够在未来更容易识别Cas9的正确位置。这也应该有助于最大限度地减少潜在副作用的数量。

“我们希望能够预测切割，改进靶点编辑并消除脱靶，这会使新药的开发复杂化，因为需要大量资源，并且当你切割错误的基因时可能会导致副作用，”说科西。

脱靶可能是有害的——而且它们的研究不足

第二项研究侧重于脱靶。在这里，研究人员开发了一种测量脱靶有效性的方法。

为了对CRISPR实验进行质量控制，科学家通常会选择较少数量的计算机预测脱靶进行测试。然而，使用新技术，他们将能够测试更多的脱靶，这有望加快副作用更少的新药的开发。

使用这种新方法，研究人员测试了110个CRISPR指导RNA在被翻译成人类药物过程中的8,000个潜在脱靶。他们发现，在8,000个潜在脱靶中，约有10%实际上是脱靶。

“我们发现的脱靶现象比使用现有方法所能达到的要多得多，”Gorodkin解释说。

此外，这些脱靶中有37个位于癌症相关基因中，这增加了开发药物变得更加困难甚至不可能的风险。此外，这些基因的意外切割甚至可能导致癌症作为一种可能的副作用。

“研究人员需要能够识别此类脱靶并选择其他没有这些或任何其他关键脱靶的引导RNA，”Gorodkin说。

非常需要对脱靶进行更多研究

根据Gorodkin的说法，这表明非常需要对脱靶进行更多研究。

“我认为——有些人可能不同意——脱靶的研究非常少。我的印象是，现有的基因编辑研究往往缺乏完整的工具和分析，无法证明他们的研究中没有脱靶效应。，“他说。

根据JanGorodkin的说法，新方法将对未来更好地检查脱靶研究产生重大影响。

“在过去的10年里，我们朝着能够编辑基因组迈出了步。现在我们正在使我们的方法更好、更安全、更有效。后者也支持绿色转型，因为基因组修改，例如生产中使用的电池，可以提高资源的成本效益。”