CRISPR基因编辑在解决广泛的遗传性疾病方面具有巨大的前景，但对意外“脱靶”效应的担忧减缓了其推广速度。重新设计的 CRISPR 系统最终可以为这个问题提供切实可行的解决方案。
上个月，生物医学公司 Intellia 报告了一项CRISPR疗法试验的令人鼓舞的结果，该疗法治疗了一种由肝脏中的畸形蛋白质引起的罕见疾病。但在发现基因编辑工具近十年后，临床试验中仍然只有少数几种疗法，迄今为止还没有一种疗法获得监管机构的批准。
造成这种情况的一个主要原因是人们担心该技术倾向于对基因组进行大量无意的改变，这可能导致严重的副作用，包括癌症。为重新设计该工具以使其更准确，人们付出了很多努力，但这通常会导致编辑速度大幅下降。
通过仔细研究 CRISPR 系统的结构，德克萨斯大学奥斯汀分校的一组研究人员现在找到了一种重新设计关键 Cas9 蛋白的方法，该方法可以在保持性能的同时减少错误。 “就 CRISPR Cas 系统在基因编辑中的更广泛应用而言，这确实可以改变游戏规则，”共同资深作者 Kenneth Johnson 在新闻稿中说。
Cas9 蛋白在 CRISPR 系统中起着核心作用。这种酶负责切割 DNA 序列，从而可以去除错误的基因或腾出空间来添加新的遗传物质。为了确保酶在正确的位置进行切割，它与一段引导 RNA 配对，该引导 RNA 旨在与大约 20 个字母长的特定基因序列结合。
然而，这种引导过程并不总是完全准确，有时 Cas9 蛋白会切割错误的部分，导致所谓的“脱靶”编辑。根据受影响的基因，这可能会对接受CRISPR 治疗的患者产生严重的副作用。
因此，为了理解为什么系统有时会编辑错误的目标，研究人员使用了一种称为冷冻电子显微镜的尖端成像技术，在 Cas9 蛋白锁定到不匹配的序列时对其进行快照。
他们发现，当引导 RNA 与错误的序列结合时，它通常无法产生使 Cas9 能够切割 DNA 的特征性扭结。但他们发现，当序列除了第 18位和第 20位的字母之外是正确的时， Cas9蛋白上的手指状结构可以稳定序列，纠正其形状并使其被切割。
这是第一次观察到这种稳定过程，基于这一见解，团队重新设计了 Cas9 蛋白，使手指状结构不再与错配序列相连。由此产生的蛋白质，该团队命名为 SuperFi-Cas9，被发现比原始 Cas9 切断脱靶位点的可能性低 4,000 倍。
这不是第一次尝试重新设计 Cas9 以避免不必要的编辑，但以前的方法导致编辑速度显着降低。 “它们比天然存在的 Cas9 更安全，但要付出很大的代价：它们的运行速度非常缓慢，”共同第一作者 Jack Bravo 说。
另一方面，SuperFi-Cas9 与原始蛋白质一样快。虽然到目前为止研究人员只在试管中的 DNA 上对其进行了测试，但他们已经开始与其他研究人员合作在活细胞中进行尝试，该大学正在寻找行业合作伙伴来帮助将该技术商业化。
虽然这种新技术进入临床可能还需要一段时间，但这项研究是创造更安全的 CRISPR 疗法的重要一步，该疗法可以治疗人类的各种疾病。
图片来源：杰克布拉沃/德克萨斯大学奥斯汀分校