不需切割 DNA 的新 CRISPR 系統 可望提升基因編輯有效性和安全性

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近年來,CRISPR 基因編輯技術成為遺傳性疾病的潛力療法之一。雖然許多科學家致力於 CRISPR 研究和開發,但它仍然不適合應用於人類患者。主要原因是因為當 CRISPR 剪斷DNA鏈時,有時會切斷其他位置 DNA,造成脫靶效應,進而導致不可預測的後果,甚至有時會導致癌症。

近日,張峰博士所率領的研究團隊開發出一種不用切割 DNA 而能編輯它的新 CRISPR 技術,即是利用轉座酶(transposase)準確地將轉位子(transposons,又稱跳躍基因)插入細菌的基因體中,可望提升基因編輯的有效性及安全性,該研究刊登於《Science》。

該研究團隊從藍藻細菌 Scytonema hoffmanni 中萃取一種 CRISPR 相關轉座酶(CRISPR-associated transposase, CAST),隨後將該轉座酶 Tn7 的三種亞基與一種 CRISPR 效應蛋白 Cas12k 互相連接,形成 ShCAST 編輯系統。該系統利用 Cas12k 在基因體中找尋特定的序列位點,Cas12k 沒有活性核酸內切酶功能,與DNA 只結合不剪切,而是由轉座酶將基因片段(轉位子)直接插入標靶位點,而且它也不包含同源重組途徑。因此,該系統具有安全性上的優勢。

為了檢測 ShCAST 能否重新編程為 DNA 插入工具,該研究團隊在大腸桿菌基因體中挑選 48 個標靶位點,並透過二個包含表現單一指引 RNA 的質體將 ShCAST 送入上述標靶位點。隨後,經過 PCR 確認在該大腸桿菌模型中,成功率達到 80%,遠高於經典 CRISPR 插入系統的 1%

雖然 ShCAST 成功率高,但它仍同樣存在脫靶的危險,將 DNA 插入到一些不該插入的地方,目標編輯與非目標編輯的比例為 99:1,一個脫靶 DNA 所造成基因體變異就足以致病,比如說破壞一個關鍵的抑癌基因,造成癌症。因此,這些安全性問題還需要更多的研究來證明。

在該研究團隊的下一階段計畫中,他們將在更複雜的模式生物中檢測該 ShCAST系統。儘管還沒有在細菌以外進行測試,ShCAST 仍可望成為高效且更安全的新一代基因編輯系統。

延伸閱讀:基因編輯再突破! CRISPR-CasX 更小且免疫排斥低

參考資料:
1. Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax9181
2. https://www.newscientist.com/article/2205803-powerful-crispr-upgrade-uses-jumping-genes-to-directly-insert-dna/

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