弗朗西斯克里克研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一套簡(jiǎn)單的規(guī)則來(lái)確定人類細(xì)胞中CRISPR / Cas9基因組編輯的精確度。這些規(guī)則發(fā)表在Molecular Cell上，有助于提高實(shí)驗(yàn)室和診所基因組編輯的效率和安全性。盡管CRISPR系統(tǒng)被廣泛使用，但是基因組編輯的結(jié)果是不可預(yù)測(cè)的，導(dǎo)致在靶位點(diǎn)處DNA區(qū)域的隨機(jī)缺失或插入的假設(shè)阻礙了該技術(shù)的合理應(yīng)用。在將CRISPR安全地應(yīng)用于臨床之前，科學(xué)家需要確保它們能夠可靠地準(zhǔn)確預(yù)測(cè)DNA的修飾方式。

“直到現(xiàn)在，用CRISPR 編輯基因涉及大量的猜測(cè)，挫折和反復(fù)試驗(yàn)，”負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的克里克組織領(lǐng)導(dǎo)人Paola Scaffidi說(shuō)。“CRISPR的影響被認(rèn)為是不可預(yù)知的，看似隨意，但通過(guò)分析數(shù)百我們感到震驚的編輯發(fā)現(xiàn)，其背后還有這一切其實(shí)很簡(jiǎn)單，可預(yù)測(cè)的模式，這將從根本上改變我們使用CRISPR的方式，讓我們更精確地研究基因功能，并顯著加速我們的科學(xué)研究。“

通過(guò)檢查CRISPR基因組編輯對(duì)人類細(xì)胞中 450個(gè)基因的1491個(gè)靶位點(diǎn)的影響，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)簡(jiǎn)單的規(guī)則預(yù)測(cè)結(jié)果。這些規(guī)則主要依賴于一個(gè)遺傳“字母”占據(jù)“指導(dǎo)RNA”識(shí)別的區(qū)域中的特定位置來(lái)指導(dǎo)分子剪刀Cas9。

指導(dǎo)RNA是由大約20個(gè)遺傳字母(A，T，C，G)組成的合成分子，設(shè)計(jì)用于結(jié)合靶基因中特定的DNA區(qū)段。每個(gè)遺傳信件都有一個(gè)互補(bǔ)的伙伴 - A與T結(jié)合，C與G結(jié)合，G-like像Velcro一樣粘在一起。指導(dǎo)RNA就像魔術(shù)貼的“鉤”側(cè)，旨在堅(jiān)持目標(biāo)基因的“環(huán)”側(cè)。

在RNA分子的指導(dǎo)下，Cas-9酶沿基因組掃描，直至找到感興趣的區(qū)域。當(dāng)RNA指南與正確的DNA序列匹配時(shí)，它會(huì)像維可牢尼龍搭扣一樣粘在一起，而Cas9則會(huì)穿過(guò)DNA。DNA從目標(biāo)序列的末端被打破三個(gè)字母，然后當(dāng)細(xì)胞試圖修復(fù)斷裂時(shí)，插入或刪除遺傳密碼的位，似乎是偶然的。

在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)特定基因編輯的結(jié)果取決于RNA指南末端的第四個(gè)字母，與切割位點(diǎn)相鄰。研究小組發(fā)現(xiàn)，如果這封信是A或T，那么將會(huì)有一個(gè)非常精確的遺傳插入; C將導(dǎo)致相對(duì)精確的刪除，G將導(dǎo)致許多不精確的刪除。因此，簡(jiǎn)單地避免含有G的位點(diǎn)使得基因組編輯更加可預(yù)測(cè)。

“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)確定CRISPR人類基因組編輯結(jié)果的規(guī)則非常簡(jiǎn)單，”Wellcome Trust臨床博士Anob Chakrabarti博士說(shuō)。克里克生物信息學(xué)和計(jì)算生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究員，也是該研究的第一作者。“通過(guò)在設(shè)計(jì)指導(dǎo)RNA時(shí)考慮到這些規(guī)則，我們可以最大限度地獲得特定基因編輯的預(yù)期結(jié)果 - 這在臨床環(huán)境中尤為重要。”

該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)DNA的“開(kāi)放”或“封閉”也會(huì)影響基因編輯的結(jié)果。添加迫使DNA開(kāi)放的化合物 - 允許Cas9掃描基因組 - 導(dǎo)致更有效的編輯，這可能有助于在特別封閉的基因中引入修飾。

“好消息是，無(wú)論原始組織如何影響特定基因的DNA開(kāi)放程度 - 在關(guān)鍵位置含有A或T的目標(biāo)區(qū)域都顯示出共同的編輯，”Paola說(shuō)。“這意味著，如果我們仔細(xì)選擇目標(biāo)DNA，我們可以相信我們會(huì)在不同的組織中看到相同的效果。”

Josep Monserrat，Crick Ph.D. 癌癥表觀遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生和該研究的第一作者說(shuō)：“我們之前沒(méi)有意識(shí)到DNA開(kāi)放性在確定CRISPR 基因組編輯效率方面的重要性。這可能是另一個(gè)需要考慮的因素。我們很高興地觀察到不同的細(xì)胞類型在精確的目標(biāo)區(qū)域共享共同的編輯，并希望我們的研究結(jié)果的翻譯將有利于跨學(xué)科。“