在過去十年中最受關注的生物學突破之一是發(fā)現(xiàn)了基因組編輯工具CRISPR / Cas9，它可以改變DNA并可能消除許多遺傳性疾病的根本原因。最初作為化膿性鏈球菌細菌的免疫系統(tǒng)的一部分被發(fā)現(xiàn)，CRISPR相關蛋白9(CAS9)，在其天然狀態(tài)下，識別外源DNA序列并使其失效。在細菌中，該系統(tǒng)用于靶向來自噬菌體的外來病毒DNA - 它已經通過其進化歷史識別為敵人的DNA，并將其記錄到其自身的DNA中。

CRISPR(具有規(guī)則間隔的短回文重復序列，發(fā)音為“crisper”)代表DNA片段，其包含短重復堿基序列，隨后是來自先前暴露于外源DNA的短片段“間隔DNA”。該復合物由解開DNA的蛋白質組成，其他在特定位置切割雙螺旋的蛋白質，以及能夠識別細胞中敵人DNA的指導RNA。

研究這種古老免疫系統(tǒng)的研究人員意識到，通過改變指導RNA的序列以匹配給定的目標，它不僅可以用于切割病毒DNA，而且可以用于精確選擇位置的任何DNA序列。此外，可以引入新的DNA切片以連接到新切割的切片。

該方法最初由Jennifer Doudna(加州大學伯克利分校)和Emmanuelle Charpentier(Umeå大學)構思和開發(fā)，并已用于培養(yǎng)細胞 - 包括STEM細胞 - 和受精卵中，以創(chuàng)建具有靶向突變的轉基因動物，有助于研究遺傳功能。CRISPR / Cas9可以同時影響許多基因，從而可以治療涉及許多基因相互作用的疾病。

該方法正在迅速改進，并且有望在有一天應用于基礎研究，藥物開發(fā)，農業(yè)和治療患有遺傳疾病的人類患者。

然而，創(chuàng)建靶向CRISPR / Cas9突變目前是昂貴且耗時的，特別是對于大規(guī)模研究。該過程也容易出錯，限制了其廣泛使用。這些問題的部分原因在于缺乏對CRISPR / Cas9在分子水平上如何起作用的充分理解。

11月，由Jin Liu領導的北德克薩斯大學(UNT)的研究團隊使用德克薩斯高級計算中心(TACC)的Maverick超級計算機，對Cas9催化的DNA裂解進行了首次全原子分子動力學模擬。

“ 自然科學報告”中報道的模擬揭示了Cas9 基因組編輯的過程。他們還幫助解決了關于切割的具體方面的爭議：例如，編輯的確切位置以及Cas9是否產生鈍端或交錯結束的斷裂以及DNA中的突出物。

“目前我們在治療應用中如何使用它們存在很多問題。酶的特異性和效率并不高，”劉說。“將酶傳遞到基因編輯的位置也很困難。為了解決這些問題，首先，我們需要知道這種酶是如何起作用的。我們的研究為理解Cas9的機制奠定了基礎。”

科學家之前通過X射線晶體學確定了Cas9處于非活動狀態(tài)的結構，但基因編輯過程發(fā)生得如此之快，以至于沒有實驗技術可以捕獲其狀態(tài)變化并確切地確定其工作原理。使用分子動力學模擬 - 通過模擬大量原子在固定時間內的相互作用來研究分子動力學的方法 - 劉和共同作者Zhicheng Zuo，也在UNT，能夠觀察到Cas9酶的變化以飛秒分辨率捕獲轉換到系統(tǒng)的活動狀態(tài)。

模擬包括Mg2 +離子，據(jù)信它可以誘導Cas9中的構象變化，因此它可以起作用。研究人員假設Mg2 +離子通過促進Cas9活性位點和DNA的接近而誘導構象變?yōu)榛钴S狀態(tài)。

模擬劉和左在Maverick上運行包含280,000個相互作用的原子。根據(jù)劉的說法，最具挑戰(zhàn)性的部分是有效地采樣構造空間以定位活動狀態(tài)。

“我們盡力提高模擬結果的可靠性，”劉說。“我們做了幾個長200和300納秒的軌跡，我們還做了幾個60納秒的短軌跡，以確保我們得到一致的結果。對于每種配置，我們至少進行了六次并行模擬。”

除了研究CRISPR / Cas9復合物如何變?yōu)榛钴S狀態(tài)外，模擬還揭示了它剪斷DNA的位置。

UNT藥物科學助理教授劉說：“通常人們認為它被削減到一個位置，但沒有明確的證據(jù)表明這一點。” “使用我們的計算方法，我們確定切割發(fā)生在另一個位置，這可能意味著這種酶可以以更可控的方式切割DNA。因此，通過這項工作，我們打開了設計更有效的酶的門，可以切割DNA以更具體的方式。“

他們的最終貢獻回答了基因組編輯是否產生了直接的結尾或交錯的結束 - 一個具有實際意義的未解決的問題。

CRISPR / Cas9切割雙鏈DNA的兩半。如果它在兩條線上的相同位置切割，它將產生鈍端; 如果它在略微不同的位置切割，它將產生交錯的結束。他們的模擬表明CRISPR / CAS9產生交錯的結束。

“這對于基因編輯非常關鍵，因為交錯結束的DNA比鈍端DNA更易控制，”她說。

UNT制藥科學主席Iok-Hou Pang使用CRISPR / Cas9在他的實驗室進行實驗眼科研究。對于他目前和將來的研究，他都看到了更清楚地理解酶行為的價值。

“我的實驗室一直在使用CRISPR / Cas9 基因編輯系統(tǒng)來敲除培養(yǎng)的小鼠視神經星形膠質細胞中的一種新蛋白質，”Pang說。“劉博士的工作將幫助我們理解酶系統(tǒng)與其底物之間的分子相互作用，并最終有助于提高其效率，這對于這種奇妙的分子技術非常有用。”

2015年，在國家科學院的支持下，全球科學家宣布暫停使用CRISPR / Cas9以可遺傳的方式編輯人類基因組(盡管有跡象表明研究人員已經打破了這一禁令)。他們說，他們對這個過程以及這樣做的長期影響知之甚少。但像劉的研究有朝一日可以在微調這些工具并使其適合人類使用方面發(fā)揮作用。

“我們正在努力了解基因組編輯酶的機制，這種機制可能對未來的制藥和治療應用具有巨大潛力，這可能使我們更接近這種技術可用于人類疾病的位置，”劉說“沒有TACC資源這項研究是不可能完成的。“