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在一項(xiàng)新的研究中，來自美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的研究人員描述了為什么CRISPR基因編輯有時(shí)無法發(fā)揮作用，以及如何讓它更加地發(fā)揮作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年7月5日的Molecular Cell期刊上，論文標(biāo)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(xué)家們從DNA中切除不需要的基因或遺傳物質(zhì)，有時(shí)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(jìn)行切割，細(xì)胞就啟動(dòng)修復(fù)從而將被切割的那條DNA鏈的兩端連接在一起，不然細(xì)胞就會(huì)死亡。
在這項(xiàng)新的研究中，這些研究人員證實(shí)當(dāng)利用CRISPR進(jìn)行基因編輯遭遇失敗（大約在15％的時(shí)間發(fā)生）時(shí)，這通常是由于Cas9蛋白持續(xù)地結(jié)合到DNA上，這會(huì)阻止DNA修復(fù)酶進(jìn)入切割位點(diǎn)。
論文通信作者、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子遺傳學(xué)副教授Bradley Merrill說，在此之前，人們并不知道為何這個(gè)基因編輯過程會(huì)隨機(jī)地遭遇失敗。
Merrill說，“我們發(fā)現(xiàn)，在Cas9表現(xiàn)差勁的位點(diǎn)上，它仍然與DNA鏈結(jié)合，從而阻止細(xì)胞啟動(dòng)修復(fù)過程。”他說，這種繼續(xù)結(jié)合的Cas9也無法繼續(xù)進(jìn)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(xué)芝加哥分校研究生Ryan Clarke和他們的同事們也發(fā)現(xiàn)在RNA聚合酶不活躍的基因組位點(diǎn)上，Cas9可能也無法有效地發(fā)揮作用。
進(jìn)一步的研究表明引導(dǎo)Cas9僅結(jié)合到DNA雙鏈中的一條鏈會(huì)促進(jìn)Cas9與RNA聚合酶之間的相互作用，從而有助于將無法發(fā)揮作用的Cas9轉(zhuǎn)化為一種的基因組編輯器。具體而言，他們發(fā)現(xiàn)在基因組編輯過程中，Cas9對(duì)DNA鏈的選擇保持一致性會(huì)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(duì)基因組編輯產(chǎn)生如此強(qiáng)大的影響。揭示這種現(xiàn)象背后的機(jī)制有助于我們更好地理解Cas9與基因組的相互作用如何導(dǎo)致某些編輯嘗試失敗，而且在設(shè)計(jì)基因組編輯實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們能夠從這種理解中獲得益處。”
Merrill說，這些研究發(fā)現(xiàn)是非常重要的，這是因?yàn)樵诨蚪M編輯過程中，Cas9和DNA鏈之間的相互作用已知是一個(gè)“限速步驟”。這意味著它是這個(gè)基因組編輯過程中慢的部分；因此，這個(gè)步驟發(fā)生的變化有可能影響基因組編輯的總體持續(xù)時(shí)間。
Merrill說，“如果我們能夠減少Cas9與DNA鏈之間的相互作用時(shí)間，這一點(diǎn)我們?nèi)缃裰廊绾卫肦NA聚合酶加以實(shí)現(xiàn)，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(yīng)或副作用，這對(duì)在未來開發(fā)出可能影響人類患者的療法而言是至關(guān)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.
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