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Mol Cell：揭示CRISPR/Cas9基因編輯為何有時會遭遇失敗
在一項新的研究中，來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校的研究人員描述了為什么CRISPR基因編輯有時無法發揮作用，以及如何讓它更加地發揮作用。相關研究結果發表在2018年7月5日的Molecular Cell期刊上，論文標題為“Enhanced Bacterial Immunity and Mammalian Genome Editing via RNA-Polymerase-Mediated Dislodging of Cas9 from Double-Strand DNA Breaks”。
CRISPR是一種基因編輯工具，它允許科學家們從DNA中切除不需要的基因或遺傳物質，有時還允許添加所需的序列或基因。CRISPR使用一種被稱作Cas9的酶，Cas9像剪刀一樣切除不需要的DNA。一旦在要被去除的雙鏈DNA的任一條鏈上進行切割，細胞就啟動修復從而將被切割的那條DNA鏈的兩端連接在一起，不然細胞就會死亡。
在這項新的研究中，這些研究人員證實當利用CRISPR進行基因編輯遭遇失敗（大約在15％的時間發生）時，這通常是由于Cas9蛋白持續地結合到DNA上，這會阻止DNA修復酶進入切割位點。
論文通信作者、伊利諾伊大學芝加哥分校醫學院生物化學與分子遺傳學副教授Bradley Merrill說，在此之前，人們并不知道為何這個基因編輯過程會隨機地遭遇失敗。
Merrill說，“我們發現，在Cas9表現差勁的位點上，它仍然與DNA鏈結合，從而阻止細胞啟動修復過程。”他說，這種繼續結合的Cas9也無法繼續進行額外的DNA切割，從而限制了CRISPR的編輯效率。
Merrill、伊利諾伊大學芝加哥分校研究生Ryan Clarke和他們的同事們也發現在RNA聚合酶不活躍的基因組位點上，Cas9可能也無法有效地發揮作用。
進一步的研究表明引導Cas9僅結合到DNA雙鏈中的一條鏈會促進Cas9與RNA聚合酶之間的相互作用，從而有助于將無法發揮作用的Cas9轉化為一種的基因組編輯器。具體而言，他們發現在基因組編輯過程中，Cas9對DNA鏈的選擇保持一致性會迫使RNA聚合酶與Cas9碰撞，從而將Cas9從DNA上撞下來。
Clarke說，“令我感到震驚的是，僅選擇一條DNA鏈而不是另一條DNA鏈對基因組編輯產生如此強大的影響。揭示這種現象背后的機制有助于我們更好地理解Cas9與基因組的相互作用如何導致某些編輯嘗試失敗，而且在設計基因組編輯實驗時，我們能夠從這種理解中獲得益處。”
Merrill說，這些研究發現是非常重要的，這是因為在基因組編輯過程中，Cas9和DNA鏈之間的相互作用已知是一個“限速步驟”。這意味著它是這個基因組編輯過程中慢的部分；因此，這個步驟發生的變化有可能影響基因組編輯的總體持續時間。
Merrill說，“如果我們能夠減少Cas9與DNA鏈之間的相互作用時間，這一點我們如今知道如何利用RNA聚合酶加以實現，那么我們就能夠減少Cas9的使用量并限制暴露。這意味著我們更有可能限制不良反應或副作用，這對在未來開發出可能影響人類患者的療法而言是至關重要的。”（生物谷 ）
參考資料：
Ryan Clarke, Robert Heler, Matthew S. MacDougall et al. Enhanced Bacterial Immunity and Mammalian Genome Editing via RNA-Polymerase-Mediated Dislodging of Cas9 from Double-Strand DNA Breaks. Molecular Cell, 5 July 2018, 71(1):42–55, doi:10.1016/j.molcel.2018.06.005.