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Nucleic Acids Res:揭示CRISPR-Cas9基因编辑为何遭遇失败

CRISPR-Cas9基因编辑工具的出现使得基因编辑变得非常容易。不幸的是,人们近期发现这种分子工具不如之前认为的那么精确。它可能导致细胞DNA中不需要的突变产生。

如今,在一项新的研究中,来自荷兰代尔夫特理工大学的研究人员鉴定出一种当CRISPR-Cas9使用不当时导致这些不需要的突变产生的机制。这可能导致休眠的基因万博博彩官网,因而可能是非常危险的。基于这一发现,他们构建出一个检查清单。使用这个检查清单将会这种有害机制激活,并且让利用CRISPR-Cas9进行基因编辑变得更加安全。相关研究结果近期发表在Nucleic Acids Research期刊上,论文标题为“Allele-specific genome editing using CRISPR–Cas9 is associated with loss of heterozygosity in diploid yeast”。

图片来自Nucleic Acids Research, doi:10.1093/nar/gky1216。


与很多有机体一样,人类细胞含有的每条染色体都存在两个拷贝:一个拷贝来自父亲,另一个拷贝来自母亲。这些染色体拷贝几乎是完全相同的,但是它们在许多基因中存在着很小的差异。这些较小的变化导致不同个体之间的遗传差异。对每条染色体而言,存在一个备份可能听起来像是一件好事。然而,这些研究人员发现当与基因编辑工具CRISPR-Cas9相结合时,这会引起问题。论文通讯作者Jean-Marc Daran博士说,“当将CRISPR-Cas9用于靶向人类等杂合有机体中的单条染色体时,一种自然修复机制就会被激活。事实证实这种机制使用这条染色体的另一个拷贝作为修复它的DNA的模板。”

基因组编辑

通常情形下,使用CRISPR-Cas9的基因编辑专家能够通过引入一段新的DNA序列来改变细胞的部分基因组。Cas9蛋白在靶位点上切割DNA,之后细胞有望使用这段新的DNA来修复它的DNA。因此,新的基因就能够被引入。Daran说,“当然,当这种修复机制使用另一条染色体而不是这段新引入的DNA作为模板时,基因编辑将不会取得成功。”由于利用另一条染色体进行DNA修复的效率更高,利用预期的DNA片段进行DNA修复几乎从不会发生。更糟糕的是,杂合性丢失也可能会发生,这会导致严重的健康后果。处于休眠状态的致病基因---比如导致癌症的基因---可能会万博博彩官网。

意外发现

这种阻断基因编辑的修复机制的发现是偶然的,这种情形在科学中是经常发生的。论文第一作者、代尔夫特理工大学博士生Arthur Gorter de Vries当时正在研究酿酒酵母。他试图确定酿酒酵母的驯化最终如何导致啤酒生产商当前使用的现代酵母菌株产生。Gorter de Vries说,“我试图去除某个基因以便确定它的功能。奇怪的是,我无法证实我已成功移除了这个基因。我也注意到这些细胞表现不正常。”Gorter de Vries仅靶向他的酵母中的一条染色体。进一步的实验证实酵母细胞使用这条靶染色体的另一个拷贝作为模板来修复他试图移除的DNA。

有害突变

虽然这种新发现的机制能够阻止基因编辑取得成功,甚至能够导致有害的突变,但是这仅发生在杂合有机体中。Daran说,“更重要的是,如果基因编辑仅靶向一条染色体而不是两条染色体,那么这种修复机制才是有活性的。”还有一些其他因素需要考虑,这就是为何这些研究人员已经制定出在杂合有机体中进行安全的基因的指导方针。