重新设计Cas9蛋白，降低上千倍脱靶概率，基因编辑变得更加安全

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作者：Ashley

导读：在人类身上使用基于CRISPR的基因编辑的一个宏大挑战是，分子机器有时会对宿主基因组的错误部分做出改变，创造了一种可能性，即试图修复基因组中一个点的基因突变可能会意外地在另一个点制造出一个危险的新突变。近期研究重新设计了Cas9蛋白，降低上千倍脱靶概率，基因编辑变得更加安全。

现在，德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们重新设计了一种被广泛使用的基于CRISPR的基因编辑工具的一个关键成分，称为Cas9，它靶向错误的DNA片段的可能性要低上千倍，同时保持与原始版本一样的效率，使其潜在地安全得多。这项工作在近期发表在《Nature》杂志上的一篇论文“Structural basis for mismatch surveillance by CRISPR–Cas9”中进行了描述。

该研究的共同资深作者、分子生物科学教授Kenneth Johnson和分子生物科学助理教授David Taylor说：“就CRISPR Cas系统在基因编辑中的更广泛应用而言，这真的可能是一个游戏规则改变者。”该论文的共同第一作者是博士后Jack Bravo和Mu-Sen Liu。

其他实验室重新设计了Cas9，以减少脱靶相互作用，但到目前为止，所有这些版本都通过牺牲速度来提高精度。SuperFi-Cas9，是这个新版本的名字，可以降低4000倍的脱靶概率，但与自然发生的Cas9一样快。Bravo说，你可以把不同的实验室生成Cas9的不同版本看作是不同型号的自驾汽车。大多数车型真的很安全，但它们的最高时速是每小时10英里。

Bravo说：“它们比天然存在的Cas9更安全，但代价巨大：它们的速度极其缓慢，SuperFi-Cas9就像一辆自动驾驶的汽车，已经被改造得极其安全，仍然可以全速行驶。”

到目前为止，研究人员已经在试管中证明了SuperFi-Cas9在DNA上的应用。他们现在正在与其他计划测试SuperFi-Cas9用于活细胞基因编辑的研究人员合作。他们还在努力开发更安全、更活跃的Cas9版本。

基于CRISPR的基因编辑工具改编自细菌中的自然系统。在自然界中，Cas9在环境中四处漂浮，寻找具有20个字母的非常特异序列的DNA，就像海盗图谱上的X，表示“在这里挖掘”。有时，当大部分字母都是正确的时候，除了18到20中的那些，Cas9仍然继续前行，进行挖掘。这被称为错配，它会在基因编辑中产生灾难性的后果。

Taylor和Johnson开发了一种称为动力学引导结构测定的技术，在Sauer结构生物学实验室中使用低温电子显微镜拍摄Cas9在与这种不匹配的DNA相互作用中的快照。

他们惊奇地发现，当Cas9在18到20位遇到这类错配时，并不是放弃而继续前行，而是具有手指状结构，猛冲进来，抓住DNA，使其表现得好像是正确的序列。正常情况下，错配使DNA有点松散，这种指状结构使其稳定。

Bravo说：“这就好像你有一把椅子，一条腿被折断了，你只是用胶带把它再次粘在一起。它仍然可以作为椅子发挥作用，但可能有点摇晃。”

如果没有这样增加DNA的稳定性，Cas9就不会采取切割DNA和进行编辑所需的其他步骤。之前没有人观察到这种额外的手指状结构进行这种稳定。

Taylor说：“这是一件我永远无法想象的事情。”

基于这一见解，他们重新设计了Cas9上的手指状结构，使其不是稳定DNA中含有错配的部分，而是被推离DNA，这就阻止了Cas9继续切割和编辑DNA的过程。其结果是SuperFi-Cas9，一种切割正确靶标的蛋白就像自然发生的Cas9一样容易，但切割错误靶标的可能性要小得多。

其他作者是德克萨斯大学奥斯汀分校的Grace Hibshman、Tyler Dangerfield、Kyungseok Jung和Ryan McCool。

Bravo、Liu、Hibshman、Dangerfield、Johnson和Taylor是基于这项涵盖新型Cas9设计工作的专利申请的发明人。

参考资料：

https://phys.org/news/2022-03-gene-safer-redesigned-cas9-protein.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。

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