盘点基因编辑新利器

阿尔贡蛋白质模型图片来源:拉古纳设计公司/SPL

CRISPR-Cas9工具让科学家几乎可以随意改变基因组。人们称赞它显然比以前的技术更简单、更便宜、更通用。CRISPR-Cas9已在世界各地的实验室中广泛使用，并在医学和基础研究中带来了一些新的应用。

然而，这项技术也有其局限性。圣地亚哥加利福尼亚大学的生物工程师普拉桑特·马里指出，它擅长到达基因组中的一个特定位点并在那里切割。“但有时你对更多的应用感兴趣。”

今年年初，研究人员满怀热情地扑向一个新的基因编辑系统，名为NgAgo。这也显示了他们对CRISPR-Cas9的不满和寻找替代方法的强烈动机。哈佛医学院的遗传学家乔治·丘奇说:“这表明每一项新技术都是多么脆弱。”

NgAgo只是不断扩大的基因编辑工具库中的一员。在这个工具库中，一些是CRISPR变体，而另一些提供了编辑基因组的新方法。

迷你Cas9

也许有一天CRISPR-Cas9将被用来重写一些导致遗传疾病的基因。然而，这一系统的组成部分-cas9酶和一段引导其到达靶序列的核糖核酸太大，以致于不能装入基因治疗中最常用的病毒基因组中，也不能将外源遗传物质转运到人类细胞中。

从葡萄球菌中获得的迷你Cas9形式是一种溶液。它非常小，可以塞进市场上目前用于基因治疗的病毒中。去年12月，两个研究小组使用mini Cas9来纠正导致小鼠Duchenne肌营养不良的基因。

扩展范围

Cas9不会在任何地方切割——在切割点附近一定存在某种DNA序列。这一要求在许多基因组中很容易满足，但对一些实验来说可能是一个痛苦的限制。研究人员正在寻找一些微生物来提供具有不同序列要求的酶，以便扩大可以被修饰的序列的数量。

这种酶Cpf1可能成为一种有吸引力的替代品。比Cas9小的Cpf1具有不同的序列要求，并且具有高度的特异性。另一种被称为C2c2的酶以核糖核酸为目标，而不是以脱氧核糖核酸为目标——这一特性有可能用于研究核糖核酸和利用核糖核酸基因组来对抗病毒。

真正的编辑

许多实验室只使用CRISPR-Cas9来删除部分基因，从而破坏其功能。丘奇说:“人们想宣布这样一个编辑是一个胜利，但是烧掉一页书并不意味着编辑这本书。”

想把一个序列换成另一个序列的研究人员面临着更困难的任务。当Cas9切割DNA时，细胞在缝合断裂的末端时经常会犯一些错误。这可能导致许多研究人员想要缺乏。

想要改写一个DNA序列的研究人员依赖于不同的修复信号通路，这些通路可以被插入到新的序列中——这个过程比容易出错的缝合要少得多。明尼苏达大学的植物学家丹尼尔·沃伊塔斯说:“每个人都说将来我们可以同时编辑多个基因，我认为:‘我们现在甚至不能有效地编辑一个基因。“

但过去几个月的一些进展给伏伊塔斯带来了希望。今年4月，研究人员宣布他们已经禁用了Cas9，并将它与一种将一个DNA碱基转化为另一个碱基的酶联系起来。丧失能力的Cas9仍然以其导向核糖核酸指定的序列为目标，但不能被切割:其连接的酶转化脱氧核糖核酸碱基，最终将这里的c碱基转化为t碱基。最近，发表在《科学》杂志上的一篇论文报道了类似的结果。

Voytas等人希望连接其他使Cas9失效的酶会产生不同的序列变化。

蔡斯·阿尔戈纳特

今年5月，发表在《自然生物技术》杂志上的一篇论文介绍了一种新的基因编辑系统。研究人员表示，他们可以使用一种叫做Argonaute的蛋白质在预定的位置切割DNA，而不需要导向核糖核酸或特定的邻近基因组序列。取而代之的是，他们用一个对应于目标区域的短的DNA序列来编程阿尔戈纳特蛋白。

这项研究的发现引发了人们对CRISPR-Cas9替代品的兴奋和猜测，但一些实验室至今无法重现这些结果。韩国首尔国立大学的基因组工程师金秀金说，即使如此，来自其他细菌的克隆技术仍然可以提供一条前进的道路。

对一些酶进行编程

其他基因编辑系统也在准备中，尽管有些已经存在多年。在一个大规模的细菌研究项目中，丘奇的实验室没有接触CRISPR，而是依靠一个叫做λ红的系统，该系统可以被编程来修改DNA序列，而不需要指导核糖核酸。然而，尽管在这个实验室进行了13年的研究，lambda Red只能在细菌中工作。

丘奇等人说，实验室也在开发整合酶和重组酶作为基因编辑。“通过利用酶的多样性，我们可以生成更强大的基因组编辑工具箱。我们必须继续探索这些未知的东西。”(张张)

《中国科学报》(国际版，第三版，2016年8月15日)

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