近年來最重要的科學(xué)進(jìn)步包括利用一種快速的負(fù)擔(dān)得起的CRISPR技術(shù)發(fā)現(xiàn)和開發(fā)對(duì)生物進(jìn)行基因改造的新方法。如今，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員表示他們對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單地改進(jìn)，這將導(dǎo)致它更準(zhǔn)確地和更安全地進(jìn)行基因編輯，從而為足以安全地在人體中進(jìn)行基因編輯打開大門。

這些研究人員發(fā)現(xiàn)確鑿的證據(jù)表明作為當(dāng)前用于CRISPR基因編輯的最受歡迎的酶，也是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的CRISPR蛋白，Cas9在基因編輯效率和精確度上低于一種較少使用的被稱作Cas12a（之前被稱作Cpf1）的CRISPR蛋白。相關(guān)研究結(jié)果于2018年8月2日在線發(fā)表在Molecular Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Kinetic Basis for DNA Target Specificity of CRISPR-Cas12a”。

鑒于Cas9更有可能在植物或動(dòng)物基因組的錯(cuò)誤位點(diǎn)上進(jìn)行編輯，從而破壞健康的功能，這些研究人員認(rèn)為切換到Cas12a將導(dǎo)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(xué)奧斯汀分校分子生物科學(xué)助理教授Ilya Finkelstein說，“總體目標(biāo)就是發(fā)現(xiàn)大自然給我們提供的最好的酶，然后讓它變得更好，而不是采用由于歷史偶然事件而被發(fā)現(xiàn)的首個(gè)酶。”

科學(xué)家們已利用CRISPR---細(xì)菌用來抵御病毒的一種天然機(jī)制---更多地了解人類基因，對(duì)植物和動(dòng)物進(jìn)行基因改造，并取得受到科學(xué)小說啟發(fā)的進(jìn)步，比如培育出含有抗肥胖小鼠基因的豬，從而獲得更瘦的熏肉。許多人期待利用CRISPR能夠開發(fā)出新的更好的人類疾病療法和具有更高產(chǎn)量或抵抗干旱和害蟲的作物。

但是在自然界中發(fā)現(xiàn)的CRISPR系統(tǒng)有時(shí)會(huì)靶向基因組中的錯(cuò)誤位點(diǎn)，因此當(dāng)將它用于人類中時(shí)，這可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果，比如它未能校正導(dǎo)致遺傳疾病的基因突變，而是將健康細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘?xì)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(xiàng)最新研究最終證實(shí)Cas12a是一種比Cas9更精確的基因編輯手術(shù)刀并解釋著為何會(huì)如此。

在Rick Russell教授和研究生Isabel Strohkendl的領(lǐng)導(dǎo)下，這些研究人員發(fā)現(xiàn)Cas12a更加挑剔，這是因?yàn)樗衲g(shù)貼（Velcro）那樣結(jié)合到基因組靶位點(diǎn)上，而Cas9更像是強(qiáng)力膠（super glue）那樣結(jié)合到它的靶位點(diǎn)上。對(duì)這兩種酶而言，它們中的每一種酶都攜帶著一小段RNA（即向?qū)NA, gRNA），其中g(shù)RNA與靶DNA片段相匹配。當(dāng)接觸到某種DNA片段時(shí)，每一種酶都開始嘗試著通過形成堿基對(duì)來結(jié)合到這種DNA片段上---從它的一端開始并沿著它前進(jìn)，并進(jìn)行測(cè)試以便觀察DNA上的每個(gè)堿基與gRNA的匹配程度。

對(duì)Cas9而言，每個(gè)堿基對(duì)緊緊地結(jié)合在一起，就像少量的強(qiáng)力膠一樣。如果gRNA和DNA的前幾個(gè)堿基匹配良好，那么Cas9已與DNA緊密地結(jié)合在一起。換句話說，Cas9會(huì)關(guān)注基因組靶標(biāo)中的前七個(gè)或八個(gè)堿基，但隨著這個(gè)匹配過程繼續(xù)進(jìn)行，它就不那么注意后面堿基的匹配性，這意味著它很容易忽略這個(gè)匹配過程后面發(fā)生的不匹配，這會(huì)導(dǎo)致它在基因組的錯(cuò)誤位點(diǎn)上進(jìn)行編輯。

對(duì)Cas12a而言，它更像是一個(gè)魔術(shù)貼扣帶。在沿著DNA前進(jìn)的每個(gè)位點(diǎn)上，它與DNA位點(diǎn)之間的結(jié)合相對(duì)較弱。為了讓gRNA和DNA足夠長(zhǎng)時(shí)間地結(jié)合在一起而進(jìn)行基因編輯，這就需要這兩者在整個(gè)過程中都存在很好的匹配。這使得它更可能僅對(duì)基因組中的預(yù)期部分進(jìn)行編輯。

Russell說，“這使得堿基對(duì)形成過程是更加可逆的。換句話說，Cas12a能夠更好地檢查每個(gè)堿基配對(duì)，隨后才移動(dòng)到下一個(gè)堿基。在移動(dòng)7到8個(gè)堿基后，Cas9停止檢查，然而Cas12a繼續(xù)檢查大約18個(gè)堿基。”

這些研究人員表示Cas12a仍然不完美，但是這項(xiàng)研究還提出了對(duì)Cas12a進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)的方法，也許有一天會(huì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建“精確手術(shù)刀（precision scalpel）”的夢(mèng)想，這本質(zhì)上是一種防錯(cuò)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(duì)gRNA和基因組靶標(biāo)之間的錯(cuò)誤配對(duì)視而不見。因此，我們所要做的是為進(jìn)一步改進(jìn)Cas12a提供明確的前進(jìn)道路。”

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.

原標(biāo)題：Mol Cell：新研究讓CRISPR基因編輯更加安全和更加精確