不需切割 DNA 的新 CRISPR 系统 可望提升基因编辑有效性和安全性

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近年来,CRISPR 基因编辑技术成为遗传性疾病的潜力疗法之一。虽然许多科学家致力于 CRISPR 研究和开发,但它仍然不适合应用于人类患者。主要原因是因为当 CRISPR 剪断DNA链时,有时会切断其他位置 DNA,造成脱靶效应,进而导致不可预测的后果,甚至有时会导致癌症。

近日,张峰博士所率领的研究团队开发出一种不用切割 DNA 而能编辑它的新 CRISPR 技术,即是利用转座酶(transposase)准确地将转位子(transposons,又称跳跃基因)插入细菌的基因体中,可望提升基因编辑的有效性及安全性,该研究刊登于《Science》。

该研究团队从蓝藻细菌 Scytonema hoffmanni 中萃取一种 CRISPR 相关转座酶(CRISPR-associated transposase, CAST),随后将该转座酶 Tn7 的三种亚基与一种 CRISPR 效应蛋白 Cas12k 互相连接,形成 ShCAST 编辑系统。该系统利用 Cas12k 在基因体中找寻特定的序列位点,Cas12k 没有活性核酸内切酶功能,与DNA 只结合不剪切,而是由转座酶将基因片段(转位子)直接插入标靶位点,而且它也不包含同源重组途径。因此,该系统具有安全性上的优势。

为了检测 ShCAST 能否重新编程为 DNA 插入工具,该研究团队在大肠杆菌基因体中挑选 48 个标靶位点,并透过二个包含表现单一指引 RNA 的质体将 ShCAST 送入上述标靶位点。随后,经过 PCR 确认在该大肠杆菌模型中,成功率达到 80%,远高于经典 CRISPR 插入系统的 1%

虽然 ShCAST 成功率高,但它仍同样存在脱靶的危险,将 DNA 插入到一些不该插入的地方,目标编辑与非目标编辑的比例为 99:1,一个脱靶 DNA 所造成基因体变异就足以致病,比如说破坏一个关键的抑癌基因,造成癌症。因此,这些安全性问题还需要更多的研究来证明。

在该研究团队的下一阶段计画中,他们将在更复杂的模式生物中检测该 ShCAST系统。尽管还没有在细菌以外进行测试,ShCAST 仍可望成为高效且更安全的新一代基因编辑系统。

延伸阅读:基因编辑再突破! CRISPR-CasX 更小且免疫排斥低

参考资料:
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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