作者:张梦然 来源:科技日报 发布时间:2022/11/7 10:16:39
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“基因魔剪”编辑基因更安全、更有效

 

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几乎可在科幻电影里展现的基因技术:CRISPR。把它想象成一把“分子剪刀”,它能够切割和编辑人类、动物、植物、细菌甚至病毒的DNA。它的潜力巨大、用途广泛,涵盖了从遗传性疾病的消除到能够抵御气候变化作物的产生。

然而,像任何其他新技术一样,CRISPR也面临挑战。主要挑战之一是怎样使技术尽可能有效,并确保“剪刀”只在想要的地方剪裁。

描述CRISPR背后的新机制

丹麦哥本哈根大学与奥胡斯大学的研究人员共同进行的新研究或可解决这些问题。

研究人员称,他们已能描述CRISPR背后的机制。“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,比在预定位置的切割更有效。我们还了解到靶标周围的不同DNA序列如何影响Cas9蛋白切割DNA的效率。这些知识将为更有效、更安全地使用CRISPR铺平道路。”

那么CRISPR是如何工作的呢?首先,科学家将设计一段引导RNA,然后将其连接到Cas9蛋白上,Cas9蛋白将执行切割DNA的任务。引导RNA寻找匹配的DNA部分。一旦找到正确的位置,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。

如今,CRISPR在医学背景下主要用于研究基因和药物在实验室中的工作原理,但仍未广泛应用于人类治疗。然而,从长远来看,科学家们的目标依然是要使用CRISPR治疗人类遗传疾病。

有效脱靶之谜解开

在上述的一项新研究中,研究人员试图确定引导RNA附着在DNA上的最佳方式,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。

研究发现,当引导RNA和DNA之间的纽带太弱时,CRISPR就起不了作用,但纽带太牢固也不行。

研究人员于是确定了引导RNA和DNA之间的键既不太强、也不太弱的间隔,恰到好处使剪刀具有完美的锋利度。“有趣的是,这一观察结果也可用来解释为什么一些脱靶物显示出比它们预期目标更强的CRISPR活性,即为什么‘剪刀’对一些脱靶比对目标还要锋利。”

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4种不同的核苷酸组成:A、C、G和T,Cas9只能与具有两个连续G核苷酸的序列结合。

团队确定了多个连续的G核苷酸对Cas9的影响。在这种情况下很难击中目标,因为每两个连续的G都会竞争着与Cas9结合。

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

与此同时,未来也有望能精准预测切割、改进靶点编辑并消除脱靶,因为脱靶耗费大量资源,正是这一点使新药的开发复杂化。

脱靶也可能是有害的

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,科学家通常会选择少量的计算机预测的脱靶进行测试。然而,使用新技术,他们能够测试更多的脱靶,这将帮助研发出副作用更少的新药。

实验中,研究人员测试了110个CRISPR引导RNA的8000个潜在脱靶。他们发现,在8000个潜在的目标中,约有10%实际上是脱靶的。新发现的脱靶目标比使用现有方法要多得多。

他们还发现这些脱靶基因中有37个位于癌症相关基因中,这些基因的意外切割带来的副作用,甚至可能导致癌症。

因此,人们必须更多地识别这种脱靶。

研究人员称,现有的基因编辑研究往往缺乏完整的工具和分析,无法证明这些研究中没有脱靶效应。新方法可以更好地对此进行检查,将在未来产生重大影响。

他们表示,在过去的10年里,人们在编辑基因组方面迈出了一大步。现在,人们正在使该技术变得更好、更安全、更有效。新方法也能支持绿色转型,因为基因组修饰,例如在生产中使用的细胞,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》上。

 
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