10年前，我們看到了現(xiàn)代生物學(xué)的突破。
(資料圖片)
一位美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，對Cas9蛋白的操縱產(chǎn)生了一種幾乎可在科幻電影里展現(xiàn)的基因技術(shù)：CRISPR。把它想象成一把“分子剪刀”，它能夠切割和編輯人類、動物、植物、細(xì)菌甚至病毒的DNA。它的潛力巨大、用途廣泛，涵蓋了從遺傳性疾病的消除到能夠抵御氣候變化作物的產(chǎn)生。
然而，像任何其他新技術(shù)一樣，CRISPR也面臨挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)之一是怎樣使技術(shù)盡可能有效，并確保“剪刀”只在想要的地方剪裁。
描述CRISPR背后的新機(jī)制
丹麥哥本哈根大學(xué)與奧胡斯大學(xué)的研究人員共同進(jìn)行的新研究或可解決這些問題。
研究人員稱，他們已能描述CRISPR背后的機(jī)制。“我們現(xiàn)在能夠解釋，為什么一些脫靶，即基因組其他地方的意外切割，比在預(yù)定位置的切割更有效。我們還了解到靶標(biāo)周圍的不同DNA序列如何影響Cas9蛋白切割DNA的效率。這些知識將為更有效、更安全地使用CRISPR鋪平道路。”
那么CRISPR是如何工作的呢？首先，科學(xué)家將設(shè)計一段引導(dǎo)RNA，然后將其連接到Cas9蛋白上，Cas9蛋白將執(zhí)行切割DNA的任務(wù)。引導(dǎo)RNA尋找匹配的DNA部分。一旦找到正確的位置，Cas9就會切斷DNA鏈。現(xiàn)在，科學(xué)家能夠?qū)⑷魏魏铣傻腄NA片段插入空出的位置。
如今，CRISPR在醫(yī)學(xué)背景下主要用于研究基因和藥物在實驗室中的工作原理，但仍未廣泛應(yīng)用于人類治療。然而，從長遠(yuǎn)來看，科學(xué)家們的目標(biāo)依然是要使用CRISPR治療人類遺傳疾病。
有效脫靶之謎解開
在上述的一項新研究中，研究人員試圖確定引導(dǎo)RNA附著在DNA上的最佳方式，使切割盡可能有效。因為如果切割不夠有效，科學(xué)家也無法編輯DNA。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引導(dǎo)RNA和DNA之間的紐帶太弱時，CRISPR就起不了作用，但紐帶太牢固也不行。
研究人員于是確定了引導(dǎo)RNA和DNA之間的鍵既不太強(qiáng)、也不太弱的間隔，恰到好處使剪刀具有完美的鋒利度。“有趣的是，這一觀察結(jié)果也可用來解釋為什么一些脫靶物顯示出比它們預(yù)期目標(biāo)更強(qiáng)的CRISPR活性，即為什么‘剪刀’對一些脫靶比對目標(biāo)還要鋒利。”
該研究還確定了Cas9蛋白的最佳位置，以實現(xiàn)最有效的切割。在Cas9切割DNA之前，蛋白質(zhì)必須與DNA鏈的特定部分結(jié)合。DNA由4種不同的核苷酸組成：A、C、G和T，Cas9只能與具有兩個連續(xù)G核苷酸的序列結(jié)合。
團(tuán)隊確定了多個連續(xù)的G核苷酸對Cas9的影響。在這種情況下很難擊中目標(biāo)，因為每兩個連續(xù)的G都會競爭著與Cas9結(jié)合。
這些關(guān)于CRISPR如何工作的新知識，將使科學(xué)家們更容易識別Cas9的正確位置，也有助于最大限度減少副作用的發(fā)生。
與此同時，未來也有望能精準(zhǔn)預(yù)測切割、改進(jìn)靶點編輯并消除脫靶，因為脫靶耗費(fèi)大量資源，正是這一點使新藥的開發(fā)復(fù)雜化。
脫靶也可能是有害的
團(tuán)隊的另一項研究側(cè)重于脫靶。
為了對CRISPR實驗進(jìn)行質(zhì)量控制，科學(xué)家通常會選擇少量的計算機(jī)預(yù)測的脫靶進(jìn)行測試。然而，使用新技術(shù)，他們能夠測試更多的脫靶，這將幫助研發(fā)出副作用更少的新藥。
實驗中，研究人員測試了110個CRISPR引導(dǎo)RNA的8000個潛在脫靶。他們發(fā)現(xiàn)，在8000個潛在的目標(biāo)中，約有10%實際上是脫靶的。新發(fā)現(xiàn)的脫靶目標(biāo)比使用現(xiàn)有方法要多得多。
他們還發(fā)現(xiàn)這些脫靶基因中有37個位于癌癥相關(guān)基因中，這些基因的意外切割帶來的副作用，甚至可能導(dǎo)致癌癥。
因此，人們必須更多地識別這種脫靶。
研究人員稱，現(xiàn)有的基因編輯研究往往缺乏完整的工具和分析，無法證明這些研究中沒有脫靶效應(yīng)。新方法可以更好地對此進(jìn)行檢查，將在未來產(chǎn)生重大影響。
他們表示，在過去的10年里，人們在編輯基因組方面邁出了一大步?，F(xiàn)在，人們正在使該技術(shù)變得更好、更安全、更有效。新方法也能支持綠色轉(zhuǎn)型，因為基因組修飾，例如在生產(chǎn)中使用的細(xì)胞，可以使資源利用更具成本效益。
這兩項研究發(fā)表在《自然·通訊》上。
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