三篇Nature文章：CRISPR研究重大进展

　　

生物通报道  大多数的人类遗传病都是由点突变——DNA序列中单个的碱基错误所引起。然而，当前的基因组编辑方法却无法高效地纠正细胞内的这些突变，还往往会导致随机核苷酸插入或缺失(indels)一类的副作用。

现在，哈佛大学的研究人员已改造CRISPR/Cas9技术解决了这些问题，构建出了一种新型的“碱基编辑器”，其能够在人类和小鼠细胞系中以低出错率永久及高效地将胞嘧啶(C)转换为尿嘧啶(U)碱基。他们的成果发布在4月20日的《自然》（Nature）杂志上。

加州大学伯克利分校基因组学创新计划科学主任Jacob Corn说：“有许多的遗传疾病你会想要置换入和置换出一些碱基。试图做到这一点是该领域一个重大的挑战，我认为这是一种真正令人兴奋的方法。”

到目前为止，CRISPR/Cas9基因组编辑方法一直依赖于称作为同源介导修复(Homology-directed repair, HDR)的细胞机制，DNA双链断裂可以触发HDR。研究人员提供给细胞一个包含所需序列的模板，用Cas9酶造成靶向双链断裂，随后等待看HDR是否能够整合进这一模板重新连接DNA链。不幸地是，这种方法低效，且往往会以随机核苷酸插入或缺失形式在断裂点周围导入一些新的错误，使得它无法适用于治疗纠正点突变。

因此哈佛大学化学家和化学生物学家David Liu领导研究人员尝试了一种不同的方法（哈佛华裔牛人Nature子刊发布基因组编辑新技术，华裔学者Nature子刊提高CRISPR/Cas9基因组编辑精确度  ）。首先，他们失活了Cas9的一部分，使得它无法造成双链断裂。随后他们将Cas9与胞苷脱氨酶连接在一起，无需切割DNA胞苷脱氨酶能够直接催化C转换为U。将这一机器送入到细胞内可在靶点处造成错配的碱基对，靶DNA上包含新导入的U，反义链上为原始的鸟嘌呤(G)碱基。David Liu说：“这种错配会扭曲DNA。它造成了一个看起来不正常的、有趣的小凸起。”

这一凸起会向一种不同的细胞修复机制：错配修复发出警报，错配修复可除去其中一个错配碱基，用与剩余碱基互补的碱基来替代它。无需获得有关错误碱基的任何信息，错配修复50%的时间会将期望的G转换A；剩下的时间它会将U转换回C。

然而当检测到DNA骨架中的微小断裂（缺口）时，错配修复会整合进一步的信息。David Liu说：“细胞进化出了错配修复机器将旧DNA看得比新合成DNA更重要。新合成的DNA往往存在一些缺口。因此我们推断，我们可以操控错配修复来偏向修复我们不想要的DNA链，即包含G的DNA链。

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该研究小组再次改造了Cas9，这一次使得它可以在未编辑的、包含G的DNA链造成一个缺口，让经编辑的、包含U的DNA保持完整。“现在细胞说，‘啊哈，这里有一个错配，错误的碱基一定是G，因为它有一个缺口必定是一条新合成的链。它将会利用另一条链作为模板，优先纠正G。”

在人类细胞的6个位点利用这一技术，研究小组报告称靶向碱基修正率达到37%，只有大约1%的序列显示核苷酸插入或缺失。相比之下，在其中三个位点测试标准Cas9编辑技术，显示不到1%的效率，且有4%以上的核苷酸插入或缺失。研究人员还证实这一技术的潜力，通过在小鼠细胞中将与阿尔茨海默病相关的APOE基因的一个变体转变为低风险的版本，纠正了疾病相关的突变。

“通过改造Cas9，他们想出了一种很好的方法来欺骗细胞偏向它通常不喜欢的信号通路，”Corn说：“由于这种方法当前只能将C-G转换为U-A碱基对，及在某些情况下编辑邻近靶点的其他C碱基，它肯定不是万能的。这意味着你现在无法治愈所有的遗传病。但有可能相当多的遗传病可纳入这一范畴。”

牛津大学的Tudor Fulga将这一技术称为是解决低效HDR，减少不必要核苷酸插入与缺失信息的“一个极其具有独创性的想法”。“我认为这将在该领域建立一个范式转变。很有可能Cas9介导的碱基编辑将在解答基础研究问题和基于基因组工程的治疗应用方面造成巨大的影响。”

在同一期的Nature杂志上还发表了另外两项研究解析了Cas9的潜在替代物：Cpf1酶。不同于Cas9双链DNA切割生成钝端，CRISPR/Cpf1生成“粘性末端”。

德国马克斯普朗克感染生物学研究所的Emmanuelle Charpentier和同事证实，不同于Cas9，Cpf1除了切割DNA还可以处理RNA。同时，哈尔滨工业大学的黄志伟（Zhiwei Huang）和同事们描述了CRISPR/Cpf1的晶体结构（哈尔滨工业大学Nature发表CRISPR研究重要成果 ）。

黄志伟说：“在细胞中粘性末端能够比钝端更有效地实现DNA修复。我们相信了解Cpf1的结构不仅将帮助我们了解Cpf1的运作机制，还有助于设计出更特异性、更高效的基因编辑工具。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

D. Dong et al., “The crystal structure of Cpf1 in complex with CRISPR RNA,” Nature, doi:10.1038/nature17944, 2016.

I. Fonfara et al., “The CRISPR-associated DNA-cleaving enzyme Cpf1 also processes precursor CRISPR RNA,” Nature, doi:10.1038/nature17945, 2016.

A.C. Komor et al., “Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage,” Nature, doi:10.1038/nature17946, 2016.