科技日報記者?張夢然

10年前，我們看到了現代生物學的突破。

一位美國科學家發現，對Cas9蛋白的操縱產生了一種幾乎可在科幻電影里展現的基因技術：CRISPR。把它想象成一把“分子剪刀”，它能夠切割和編輯人 類、動物、植物、細菌甚至病毒的DNA。它的潛力巨大、用途廣泛，涵蓋了從遺傳性疾病的消除到能夠抵御氣候變化作物的產生。

圖片來源：視覺中國

然而，像任何其他新技術一樣，CRISPR也面臨挑戰。主要挑戰之一是怎樣使技術盡可能有效，并確保“剪刀”只在想要的地方剪裁。

   描述CRISPR背后的新機制

丹麥哥本哈根大學與奧胡斯大學的研究人員共同進行的新研究或可解決這些問題。

研究人員稱，他們已能描述CRISPR背后的機制。“我們現在能夠解釋，為什么一些脫靶，即基因組其他地方的意外切割，比在預定位置的切割更有效。我們還 了解到靶標周圍的不同DNA序列如何影響Cas9蛋白切割DNA的效率。這些知識將為更有效、更安全地使用CRISPR鋪平道路。”

那么CRISPR是如何工作的呢？首先，科學家將設計一段引導RNA，然后將其連接到Cas9蛋白上，Cas9蛋白將執行切割DNA的任務。引導RNA尋 找匹配的DNA部分。一旦找到正確的位置，Cas9就會切斷DNA鏈。現在，科學家能夠將任何合成的DNA片段插入空出的位置。

如今，CRISPR在醫學背景下主要用于研究基因和藥物在實驗室中的工作原理，但仍未廣泛應用于人類治療。然而，從長遠來看，科學家們的目標依然是要使用CRISPR治療人類遺傳疾病。

   有效脫靶之謎解開

在上述的一項新研究中，研究人員試圖確定引導RNA附著在DNA上的最佳方式，使切割盡可能有效。因為如果切割不夠有效，科學家也無法編輯DNA。

研究發現，當引導RNA和DNA之間的紐帶太弱時，CRISPR就起不了作用，但紐帶太牢固也不行。

研究人員于是確定了引導RNA和DNA之間的鍵既不太強、也不太弱的間隔，恰到好處使剪刀具有完美的鋒利度。“有趣的是，這一觀察結果也可用來解釋為什么一些脫靶物顯示出比它們預期目標更強的CRISPR活性，即為什么‘剪刀’對一些脫靶比對目標還要鋒利。”

該研究還確定了Cas9蛋白的最佳位置，以實現最有效的切割。在Cas9切割DNA之前，蛋白質必須與DNA鏈的特定部分結合。DNA由4種不同的核苷酸組成：A、C、G和T，Cas9只能與具有兩個連續G核苷酸的序列結合。

團隊確定了多個連續的G核苷酸對Cas9的影響。在這種情況下很難擊中目標，因為每兩個連續的G都會競爭著與Cas9結合。

這些關于CRISPR如何工作的新知識，將使科學家們更容易識別Cas9的正確位置，也有助于最大限度減少副作用的發生。

與此同時，未來也有望能精準預測切割、改進靶點編輯并消除脫靶，因為脫靶耗費大量資源，正是這一點使新藥的開發復雜化。

   脫靶也可能是有害的

團隊的另一項研究側重于脫靶。

為了對CRISPR實驗進行質量控制，科學家通常會選擇少量的計算機預測的脫靶進行測試。然而，使用新技術，他們能夠測試更多的脫靶，這將幫助研發出副作用更少的新藥。

實驗中，研究人員測試了110個CRISPR引導RNA的8000個潛在脫靶。他們發現，在8000個潛在的目標中，約有10%實際上是脫靶的。新發現的脫靶目標比使用現有方法要多得多。

他們還發現這些脫靶基因中有37個位于癌癥相關基因中，這些基因的意外切割帶來的副作用，甚至可能導致癌癥。

因此，人們必須更多地識別這種脫靶。

研究人員稱，現有的基因編輯研究往往缺乏完整的工具和分析，無法證明這些研究中沒有脫靶效應。新方法可以更好地對此進行檢查，將在未來產生重大影響。

他們表示，在過去的10年里，人們在編輯基因組方面邁出了一大步。現在，人們正在使該技術變得更好、更安全、更有效。新方法也能支持綠色轉型，因為基因組修飾，例如在生產中使用的細胞，可以使資源利用更具成本效益。

這兩項研究發表在《自然·通訊》上。