科研

Cell:基因编辑先驱 Doudna 给“基因魔剪”安“刹车”

受热捧的基因编辑技术 CRISPR-Cas9 并非完美,它犹如一辆没有刹车装置的汽车,可能失控伤及无辜,即产生脱靶效应——编辑了不该编辑的基因片段。从去年 12 月开始,科学家们争先恐后地开启为 CRISPR 安上“刹车”的研究,他们试图从自然界,找出这个“刹车”。

美国生物学家、最先提出 CRISPR-Cas9 可以进行基因编辑的詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)也是其中的一员。当地时间 8 月 24 日,她与同事的相关论文发表在顶级期刊《细胞》(Cell)杂志,揭示了两个可以为 CRISPR 的基因编辑画上停止键的蛋白质是如何发挥作用的。此外,这两个抑制蛋白具有广谱性,也就是说可以适用不同的 CRISPR 系统。

CRISPR 系统应用于基因编辑,是科学家从细菌身上取得的“经”。为了对付“杀手”噬菌体,细菌的免疫系统经过漫长的时间,进化出 CRISPR 系统。一旦有噬菌体入侵细菌,细菌的免疫系统会抓取一段噬菌体的 DNA 作为备份。等到下一次噬菌体再次来袭,细菌就可以根据备份,做出识别。识别成功时,细菌的 Cas9 蛋白会切断噬菌体的 DNA。这套系统为人类所用时,可以高效地对目标基因进行切割、添入等编辑。由于其高效,在业界有“基因魔剪”之称。

尽管 CRISPR 系统被广泛验证其有效性,成为全球各大生物实验室的宠儿,也有一些人体临床试验已经开展。但 CRISPR 的脱靶性问题尚未得到完全解决。一旦 CRISPR 系统进入工作模式,科学家们此前一直没有办法干预其过程,只能任其操作至自然结束,其中可能会发生错误编辑非目标基因的情况,带来安全性隐患。

可喜的是,科学家们发现,求生的本能同样让噬菌体想出对策,进化出了针对细菌 CRISPR 系统的抑制蛋白,用来逃避细菌免疫系统的攻击。这些抑制蛋白被称为 ACR 蛋白。

杜德纳与同事此次研究的 AcrIIC1 和 AcrIIC3 便是其中两种。

AcrIIC1 和 AcrIIC3 是通过什么方式来对付难缠的 CRISPR 系统呢?杜德纳和同事发现,当 AcrIIC1 和 Cas9 蛋白相遇时,AcrIIC1 会紧紧结合 Cas9 用来抓取 DNA 的位置,从而使得 Cas9 无法捣乱。打个比方,这相当于给 Cas9 这把锋利的剪刀套上了外壳,无法再做出“剪”的行为。

不仅如此,AcrIIC1 可以抑制多种 Cas9 蛋白,具有广谱性。

相比之下,AcrIIC3 能发挥作用的范围要小,只能抑制一种 Cas9 蛋白。而且,和 AcrIIC1 不同,AcrIIC3 不结合 Cas9 蛋白,而是将两个 Cas9 蛋白拉拢在一起,改变它们的结构,从而使得 Cas9 对 DNA 无计可施。

值得一提的是,杜德纳并不是第一个发现 CRISPR 系统“关闭开关”的人。

在 2016 年 12 月,来自加拿大多伦多大学和美国马萨诸塞大学的科学家们首次 发现 了自然界隐藏的这类“关闭开关”。但当时,科学家们还不清楚,这些抑制蛋白是如何发挥“关闭开关”作用的。

数个月后,来自不同国家的两个科研小组先后通过解析蛋白结构是什么样的,来揭示抑制蛋白防守 CRISPR 系统的机制。其中就包括哈尔滨工业大学教授黄志伟的课题组。但他们所解析的和杜德纳此次解析的都为不同种类的抑制蛋白。

不久的将来,科学家或许就能找到最合适的“关闭开关”,不由 CRISPR 系统任性,为其安全性“保驾护航”。

参考资料:

Naturally Occurring Off-Switches for CRISPR-Cas9

A Broad-Spectrum Inhibitor of CRISPR-Cas9

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本文由来源 生物360,由 白云 整理编辑!

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