生物化学家通过炒作CRISPR系统发现基因组编辑失败的原因

伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员首先描述了为什么CRISPR基因编辑有时无法工作，以及如何使该过程更有效。

CRISPR是一种基因编辑工具，可以让科学家从DNA中切除不需要的基因或遗传物质，有时还可以添加所需的序列。CRISPR使用一种名为Cas9的酶，它像剪刀一样切除不需要的DNA。一旦在要去除的DNA的任一侧上进行切割，细胞就开始修复以将DNA链的两端粘合在一起，或者细胞死亡。

在发表在“分子细胞”杂志上的一项研究中，研究人员发现，当使用CRISPR进行基因编辑失败时(大约15%的时间发生)，通常是由于Cas9蛋白与切割位点的DNA持续结合，阻止DNA修复酶进入切口。

UIC医学院生物化学和分子遗传学副教授Bradley Merrill表示，在此之前，研究人员并不知道为什么这个过程会随机失败。

“我们发现，在Cas9是'dud'的地方，它仍然与DNA链结合，阻止细胞启动修复过程，”Merrill说。他说，卡住的Cas9也无法继续进行额外的DNA切割，从而限制了CRISPR的效率。

Merrill，UIC研究生Ryan Clarke和他们的同事也发现，Cas9可能在基因组中无法有效地参与基因活动的RNA聚合酶基因位点。进一步的研究表明，引导Cas9退火至组成DNA双螺旋的一条链促进了Cas9和RNA聚合酶之间的相互作用，有助于将“dud”Cas9转化为有效的基因组编辑器。

具体而言，他们发现在基因组编辑过程中Cas9的一致链选择迫使RNA聚合酶与Cas9碰撞，使得Cas9被DNA敲除。

“我感到震惊的是，简单地选择一条DNA链而不是另一条DNA链对基因组编辑有如此强大的影响，”该论文的第一作者克拉克说。“揭示这种现象背后的机制有助于我们更好地理解Cas9与基因组的相互作用如何导致某些编辑尝试失败，并且在设计基因组编辑实验时，我们可以将这种理解用于我们的利益。”

“这种新的理解对我们这些需要基因组编辑在实验室中运作良好以及使基因组编辑在未来临床应用中更有效和更安全的人来说非常重要，”Merrill说。

研究结果也很重要，因为在基因组编辑过程中，Cas9和DNA链之间的相互作用现在已知是“限速步骤”，Merrill说。这意味着它是该过程中最慢的部分;因此，此阶段的变化最有可能影响基因组编辑的总体持续时间。

“如果我们可以减少Cas9与DNA链相互作用的时间，我们现在知道如何处理RNA聚合酶，我们可以使用更少的酶并限制暴露，”Merrill说。“这意味着我们有更多的潜力来限制不良反应或副作用，这对于可能影响人类患者的未来疗法至关重要。”