生物学家为基因组编辑创造更精确的分子剪刀

合成生物学家表示,通过调整切割 DNA 的酶,他们可以使基因组编辑更加具体——如果该技术要用于临床治疗遗传疾病,这是一项必不可少的改进。

这种名为 Cas9 的酶是分子编辑系统的关键组成部分,使研究人员能够改变基因组中的特定 DNA 序列。 这项名为 CRISPR-Cas9 的技术非常快速、廉价且易于使用,以至于它已经改变了基因研究的方式,并且有朝一日可能会提供一种方法来纠正导致人类疾病的基因突变。 12 月 1 日,来自美国、英国和中国的研究人员聚集在华盛顿特区,讨论基因编辑在人类中的伦理和应用。

但在任何临床应用之前,患者和监管机构必须确保 Cas9 酶不会对基因组造成危险的脱靶损伤。 “对于治疗应用,我们都希望尽可能谨慎地进行,以确保我们不会在不需要的位置修改基因组,”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的化学生物学家 David Liu 说。

错误率降低

研究人员已经在调整 CRISPR-Cas9 的组件以降低其错误率。 例如,他们调整了将 Cas9 酶引导到基因组中特定位点的 RNA,并对系统进行了改造,以便研究人员可以轻松地将其关闭,从而使酶没有太多机会进行不必要的改变。

麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的合成生物学家张峰决定专注于设计 Cas9 酶本身。 他和他的团队改变了这种酶,使其不太可能在引导酶的 RNA 与其靶向的 DNA 之间存在错配的位点起作用。 他们生成了多个版本的 Cas9,与未改变的 Cas9 酶相比,这些版本的脱靶错误至少减少了十倍。

“这是一个缓和 Cas9 过度‘热情’的问题,以便它勉强接受目标序列而不是其他任何东西,”没有参与这项工作的刘说。

张的团队创建了三个新版本的 Cas9,他们报告说,这些版本犯的错误更少,但在目标站点上与普通 Cas9 一样活跃。 Zhang 指出,与其他降低 CRISPR-Cas9 错误率的方法不同,新酶不需要对许多研究人员已经使用的 CRISPR-Cas9 协议进行更改。

不止一个答案

Liu 说,对于许多研究应用,未改变的 Cas9 酶就可以做到。 但是对于疗法,研究人员希望降低错误率,使其不高于人类细胞中 DNA 突变的正常率。 刘估计,就其本身而言,工程酶实现的十倍改进还不够。 他认为,对于治疗而言,CRISPR-Cas9 基因编辑的错误率需要提高几个数量级。 但结合各种提高特异性的方法可能会奏效,他说。

张将这个问题比作让汽车跑得更快:新的 Cas9 酶就像安装了一个更大的引擎。 “这仍然可以与其他修改相结合,例如添加扰流板,导致酶增强,”他说。 “有很多方法可以提高速度。”

本文经许可转载,于2015年12月1日首次发表。

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