Nature子刊:我们之前搞错了CRISPR的作用机理?
2018/8/1 8:31:42 学术经纬

    

     药明康德/报道

     CRISPR-Cas9是当下最为火热的基因编辑技术之一。由于其简洁性与精准性,这项技术已经在生物医药领域得到了广泛的应用。

     这项技术的关键在于在DNA双链分子上切开一个口子。随后,细胞会对这个口子进行修复——它们要么直接添加上数个碱基,破坏原有基因的功能,起到“基因敲除”的效果,要么利用单链DNA模板,引入新的序列,对基因进行编辑。这两者也分别被称为“非同源性末端接合”与“同源介导修复”。

    

     ▲本研究发表在了《自然》子刊《Nature Genetics》上(图片来源:《Nature Genetics》)

     但我们也不得不承认,对于CRISPR-Cas9系统背后的机理,我们其实并没有完全摸清。“在医学或合成生物学领域,使用CRISPR-Cas9的应用热情非常高涨,但没有人真的知道在细胞里会发生些什么,”加州大学伯克利分校的Chris Richardson博士说道:“这套系统会带来一些双链DNA的断裂,我们只能依赖细胞去修复它们。人们并不是非常清楚这一流程。”

     为了寻找到背后的关键,Richardson博士与其导师Jacob Corn教授一道,做了一个大型的筛选。他们找到了2000多个可能参与到双链DNA修复的基因,然后挨个进行删除,看看它们对CRISPR基因编辑后的修复会有怎样的影响。令人意外的是,大部分对DNA修复起到关键作用的基因,看起来好像和CRISPR没有关系。

    

     ▲本研究的筛选流程(图片来源:《Nature Genetics》)

     有趣的是,科学家们发现了另一条罕见的基因修复通路参与了CRISPR-Cas9引起的基因编辑。这条通路里有21个不同的蛋白质,一旦有任何一个蛋白受损,就会引起一种叫做范可尼贫血症(Fanconi anemia)的罕见疾病。这条基因修复通路早在几十年前就被发现了,但人们一直以为它只会参与一类罕见的DNA损伤修复。谁也没有想到,它还和CRISPR-Cas9有关。

     具体来说,这条基因修复通路里的FANCD2蛋白会在CRISPR-Cas9造成的双链DNA缺口处积聚,表明它在DNA修复中的重要作用。通过对FANCD2蛋白的调控,我们甚至还能提高细胞对DNA的修复效率!

    

     ▲对于CRISPR-Cas9作用机理的新描述(图片来源:《Nature Genetics》)

     此外,这个蛋白还能带来其他新应用。“既然FANCD2能在Cas9切开的位点积聚,那么我们就能用它来标示Cas9带来的切口,” Richardson博士说道:“如果你对一些细胞进行了编辑,想要知道靶向或是脱靶的切口在哪里,你只要寻找这些FANCD2蛋白就可以了。”

     “基因编辑是一项具有大量潜力的技术,但目前,我们还在不断试错。它在人类细胞中的具体运作机制依旧是个黑匣子,有许多假设,” Corn教授评论道:“现在,我们终于开始了解它背后的机制了。”

     研究人员们指出,通过对机制的进一步理解,我们有望提高基因编辑的效率,开发出更多有效的疗法。在这个基因疗法的时代,我们期待能见证更多创新疗法的问世,造福广大患者!

     点击“阅读原文”,即可访问原始论文页面。

     本文题图来自Pixabay。

     参考资料:

     [1] CRISPR–Cas9 genome editing in human cells occurs via the Fanconi anemia pathway

     [2] DNA repair after CRISPR cutting not at all what people thought

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