生物通報(bào)道  想象一下如果有一天科學(xué)家們能夠在實(shí)驗(yàn)室中改變生物的DNA來(lái)尋找一大堆問(wèn)題的答案，或是醫(yī)生可以通過(guò)給予一些藥物改變患者的基因組來(lái)治療遺傳疾病，會(huì)怎么樣？

這或許聽(tīng)起來(lái)就像是科幻小說(shuō)，但隨著基因組編輯蛋白Cas9和CRISPR的發(fā)展，終有一天會(huì)變?yōu)榭茖W(xué)事實(shí)。

而在這之前，科學(xué)家們必須克服許多的挑戰(zhàn)，包括如何提高這些蛋白質(zhì)的特異性——在確保基因組編輯蛋白改變靶DNA序列速率的同時(shí)，避開(kāi)相似的脫靶序列。

哈佛大學(xué)化學(xué)及化學(xué)生物學(xué)教授David Liu和同事們已經(jīng)開(kāi)始著手攻克這一挑戰(zhàn)。

David Liu領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)家小組開(kāi)發(fā)出了一種可以用一個(gè)藥物樣小分子開(kāi)啟的Cas9工程酶。通過(guò)利用這種可激活形式的Cas9，研究小組以比標(biāo)準(zhǔn)形式Cas9高25倍的特異性改變了人類(lèi)基因組中的靶標(biāo)。他們的研究論文發(fā)表在近期的《自然化學(xué)生物學(xué)》（Nature Chemical Biology）雜志上。

David Liu說(shuō)：“這項(xiàng)研究旨在通過(guò)準(zhǔn)確控制Cas9激活的時(shí)間來(lái)提高基因組編輯的特異性。我們改造出了只在我們提供細(xì)胞給一種無(wú)害的、藥物樣小分子時(shí)才會(huì)激活的Cas9形式。我們證實(shí)利用這一系統(tǒng)有可能可以獲得高效的基因組編輯，因?yàn)樵贑as9擁有足夠的時(shí)間改變靶基因后，你可以通過(guò)不再提供這種小分子來(lái)阻止活性Cas9生成，由此你限制了發(fā)生脫靶基因組修飾的機(jī)會(huì)。”

David Liu說(shuō)他的實(shí)驗(yàn)室采用了兩種方法來(lái)提高基因組編輯蛋白的特異性。第一種，也是最明顯的是，改造出識(shí)別較長(zhǎng)遺傳序列的蛋白，這使得要求更完美匹配的DNA序列它們才會(huì)有效地編輯DNA，因而較難結(jié)合脫靶位點(diǎn)。第二種方法是基于對(duì)基因組編輯蛋白的認(rèn)識(shí)，不同于傳統(tǒng)的生物學(xué)工具和療法，它們只需要在非常有限的時(shí)間內(nèi)激活。

利用一種小分子來(lái)控制Cas9這一想法源于David Liu和同事們認(rèn)識(shí)到，不同于所有其他的藥物治療或?qū)嶒?yàn)室使用的工具，基因組編輯并非“穩(wěn)態(tài)”化學(xué)。

舉例來(lái)說(shuō)，David Liu指出大多數(shù)疾病的治療方式都是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程。如果某人受到了一種病原體的感染，而這種病原體需要某種酶來(lái)進(jìn)行繁殖，傳統(tǒng)的療法就會(huì)給予一種藥物來(lái)阻斷這種酶。

David Liu說(shuō)：“你所做的就是在推動(dòng)一種平衡狀態(tài)。細(xì)菌設(shè)法生成這種酶，你供應(yīng)一種藥物來(lái)抑制該酶。如果你停止供應(yīng)藥物，這種酶可以恢復(fù)活性，但如果你一直供應(yīng)藥物，細(xì)菌就會(huì)死去。”與之相反，基因組編輯蛋白的任務(wù)并非是擾亂一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程。

“在人類(lèi)細(xì)胞中，你想改變的只有一個(gè)或兩個(gè)底物分子——你從父母那里得到的基因拷貝。一旦基因組編輯蛋白處理完這一個(gè)或兩個(gè)靶分子，其在細(xì)胞中唯一可做的事情就是干壞事。”

“我們的方法源自基因組編輯并非一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程這一簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)。因此我們希想得到的是足以改變一個(gè)或兩個(gè)目標(biāo)基因拷貝的短時(shí)間的基因組編輯活性，隨后就除去這種基因組編輯活性，決不允許它回到細(xì)胞中。”

為了獲得短時(shí)間的Cas9活性，David Liu和同事們改造出了只有當(dāng)存在一種藥物樣小分子時(shí)才會(huì)激活的Cas9形式。

“幾乎所有發(fā)表的基因組編輯研究都利用的是生成很多基因組編輯因子的載體，往往沒(méi)有必要的時(shí)間限制——它們可以在數(shù)天或更長(zhǎng)的時(shí)間持續(xù)生成基因組編輯蛋白。有了這一系統(tǒng)，我們可以用這一小分子刺激細(xì)胞讓Cas9開(kāi)啟數(shù)小時(shí)，然后不再供應(yīng)它，蛋白質(zhì)就會(huì)自然地降解。在小分子的刺激過(guò)去后所有生成的Cas9蛋白都將會(huì)自然地失去活性。”

隨著技術(shù)不斷地改進(jìn)，David Liu預(yù)計(jì)像Cas9和CRISPR一類(lèi)的工具有一天將會(huì)變得非常精確，降低至自然的、自發(fā)的突變率以下。

“每天你的基因組中都會(huì)出現(xiàn)一定數(shù)量的突變。關(guān)鍵在于確保這一技術(shù)所能帶來(lái)的利益超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)。如果我們可以將不必要的基因組修飾比率降至自發(fā)突變水平之下，知道向一名人類(lèi)患者提供一種基因組編輯因子不會(huì)顯著提高患者形成癌癥或其他遺傳疾病的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)疑是一種安慰。”

盡管努力提高Cas9和其他基因組編輯因子非常重要，David Liu說(shuō)他也支持近期加州大學(xué)伯克利分校的Jennifer Doudna教授和其他科學(xué)家們提出的想法：即應(yīng)暫停在人類(lèi)中使用這一技術(shù)直至更好地認(rèn)識(shí)它們的風(fēng)險(xiǎn)以及評(píng)估它們的安全性（延伸閱讀：Nature：中國(guó)科學(xué)家用CRISPR/Cas9改造人類(lèi)胚胎 ）。

David Liu說(shuō)：“這是一種新技術(shù)，人們普遍認(rèn)為它可以在包括人類(lèi)細(xì)胞在內(nèi)的幾乎所有細(xì)胞類(lèi)型中發(fā)揮效應(yīng)。我認(rèn)為明智的做法就是搶先在科學(xué)家和其他的社會(huì)成員之間建立對(duì)話(huà)，確保這些工具的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用都經(jīng)過(guò)了深思熟慮。”

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文摘要：

Small molecule–triggered Cas9 protein with improved genome-editing specificity

Directly modulating the activity of genome-editing proteins has the potential to increase their specificity by reducing activity following target locus modification. We developed Cas9 nucleases that are activated by the presence of a cell-permeable small molecule by inserting an evolved 4-hydroxytamoxifen–responsive intein at specific positions in Cas9. In human cells, conditionally active Cas9s modify target genomic sites with up to 25-fold higher specificity than wild-type Cas9.