CRISPR 基因编辑为何有时有效,有时无效?

2018-07-12 序说
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研究人员首次指出了为什么 CRISPR 基因编辑有时无法生效,以及如何能帮助这一过程更为有效。

CRISPR 是一种大热的基因编辑工具,它能帮助科学家们从 DNA 中切除不需要的基因或遗传物质,有时还可以添加上所需的序列。CRISPR 使用的是一种名为 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,细胞或者开始修复,将 DNA 链的两端粘合在一起,或者死亡。

在这项 刊登 在《Molecular Cell》杂志上的最新研究中,来自 伊利诺伊大学芝加哥分校 的研究人员发现,当利用 CRISPR 进行基因编辑时,存在 15% 的失败率,这通常是由于 Cas9 蛋白与切割位点的 DNA 持续结合,阻止了 DNA 修复酶进入切口。

这是第一次发现为何 CRISPR 基因编辑会失败,文章作者之一,生物化学和分子遗传学副教授 Bradley Merrill 表示。

“我们发现,Cas9 在‘dud' 位置上会持续与 DNA 链结合,阻止了细胞启动修复过程,”Merrill 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。

同时,研究人员也发现 Cas9 在存在 RNA 聚合酶的基因组位置上无法发挥作用,进一步研究表明,引导 Cas9 仅仅在 DNA 双螺旋的一条链上退火,能促进 Cas9 与 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位置。

具体而言,研究人员发现在基因组编辑过程中,Cas9 的链选择性迫使 RNA 聚合酶与 Cas9 碰撞,使得 Cas9 被 DNA 推开。

“我感到惊讶的是,选择这一条 DNA 链而不是另一条 DNA 链,对基因组编辑产生如此强大的影响,”文章的第一作者 Clarke 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失败的原因,并且在设计基因组编辑实验时,我们可以将其应用上。”

“这一新观点对于基因组编辑,以及未来基因组编辑在临床上的应用都非常重要,”Merrill 说。

同时这一发现对于了解基因组编辑的“限速步骤”——Cas9 和 DNA 链之间的相互作用也十分重要。这意味着它是该过程中最慢的部分。因此,控制此阶段的变化最有可能影响基因组编辑的总体持续时间。

“如果我们能够减少 Cas9 与 DNA 链相互作用的时间(即 Cas9 与 RNA 聚合酶的相互作用),就可以减少酶量,降低接触,从而减少不良反应或副作用,这对于可能患者的未来疗法至关重要。”

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1 Enhanced Bacterial Immunity and Mammalian Genome Editing via RNA-Polymerase-Mediated Dislodging of Cas9 from Double-Strand DNA Breaks 暂无下载

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