发现了CRISPR-Cas9基因编辑系统的关闭开关

加州大学旧金山分校的研究人员发现了一种方法，可以使用由细菌病毒产生的新鉴定的抗CRISPR蛋白质来关闭广泛使用的CRISPR-Cas9基因编辑系统。该技术有可能提高临床和基础研究中CRISPR应用的安全性和准确性CRISPR-Cas9在细菌中进化，作为一种免疫系统来预防病毒感染，但在过去十年中，它作为一种通用基因编辑系统激发了研究人员和公众的兴趣，使科学家能够快速有效地修改遗传信息并进行调整几乎任何生物体中的基因活性。

许多希望CRISPR将加速直接治疗遗传性疾病的努力，以及许多其他应用，但在大多数情况下，该技术还没有被证明足够精确，偶尔进行意外的编辑以及预期的编辑。研究人员和生物伦理学家也担心，该技术的强大功能和易用性提高了它可能有意或无意造成伤害的可能性。

Bondy-Denomy说，新发现的抗CRISPR蛋白质是第一个对实验室和新兴基因编辑行业最常用的CRISPR-Cas9系统起作用的蛋白质，可以帮助解决这两个问题，从而实现更精确的控制。 CRISPR应用程序，但也提供故障保护，以快速阻止任何潜在有害的技术用途。

为了找到这样的转变，Bondy-Denomy和Rauch转向了病毒和细菌之间数十亿年的军备竞赛，这种竞争产生了CRISPR系统本身：

“正如CRISPR技术是从细菌中的天然抗病毒防御系统发展而来的，我们也可以利用病毒雕刻的抗CRISPR蛋白来克服这些细菌防御，”Rauch说。

如何做到：识别“自我靶向”细菌

为了发现一种抗CRISPR蛋白质，这种蛋白质可以对抗大多数实验室现在使用的CRISPR-Cas9系统的类型，这取决于一种名为SpyCas9的蛋白质作为其靶向的DNA剪切器，研究人员提出了一个聪明的伎俩：他们推断他们应该能够通过寻找所谓的“自我靶向” - 细菌菌株的证据来鉴定具有灭活的CRISPR系统的细菌，其中一些病毒已成功通过Cas9阻断并将其基因插入细菌基因组中。该团队假设这些噬菌体必须编码一些抗CRISPR试剂，否则Cas9会通过切割其自身的基因组来杀死细菌，其中已插入病毒DNA。

“Cas9不是很聪明，”Bondy-Denomy说。“如果计划这样做，就无法避免切割细菌自身的DNA。所以我们寻找的细菌菌株，其中CRISPR-Cas9系统应该针对自己的基因组 - 细胞不会自我破坏的事实是一个线索，整个CRISPR系统被灭活。“

利用Rauch设计的生物信息学方法，研究小组检测了近300株李斯特菌，这是一种以其在食源性疾病中的作用而闻名的细菌属，并发现3%的菌株表现出“自我靶向”。进一步研究分离出四种不同的抗CRISPR蛋白，证明能够阻断李斯特菌Cas9蛋白的活性，这与SpyCas9非常相似。

另外的实验表明，四种抗CRISPR蛋白中的两种 - 研究人员称其为AcrIIA2和AcrIIA4--用于抑制常用SpyCas9靶向其他细菌(如大肠杆菌)中特定基因的能力，以及人体细胞。总之，结果表明AcrIIA蛋白是CRISPR-Cas9基因编辑系统的有效抑制剂，因为它已被世界各地的实验室采用。

“下一步是在人体细胞中显示使用这些抑制剂实际上可以通过减少脱靶效应来提高基因编辑的精确度，”Rauch说。“我们还想确切了解抑制蛋白如何阻断Cas9的基因靶向能力，并继续在其他细菌中寻找更多更好的CRISPR抑制剂。”

关闭开关可以提高许多CRISPR应用的准确性和安全性

Rauch和Bondy-Denomy相信，通过解决持续存在的意外“脱靶”基因修饰问题，停用SpyCas9的能力将使基于CRISPR的基因编辑更加安全和精确，这种修饰更可能发生在CRISPR基因编辑机器的更长时间内活跃于靶细胞中。

对于科学家来说，这一发现也可能是一项福音，因为他们使用了部分在UCSF开创的新的CRISPR技术 - 例如CRISPR干扰和CRISPR激活 - 它们使用Cas9不修改基因序列，而是精确调整其活性上下。使用抗CRISPR蛋白，研究人员可以暂时增强或阻断基因活动，甚至可能使基因组中相互连接基因组的精心设计的活动同步，这可能是研究和治疗复杂的多基因疾病的关键。

研究人员表示，CRISPR抑制剂也可以证明是一种有价值的保护措施，使科学家能够迅速停止在实验室外进行CRISPR 基因编辑的任何应用。

“研究人员和公众都非常担心CRISPR的功能如此强大，以至于它可能被用于危险的用途，”Bondy-Denomy说。“这些抑制剂提供了阻止邪恶或失控的CRISPR应用的机制，使探索这种技术可以用来帮助人们的所有方法更安全。”