光激活的“CRISPR”能够触发精确基因编辑和快速DNA修复

“随需应变”光激活分子剪刀或成为精确基因编辑的重要工具。

美国约翰•霍普金斯医学院的科学家们在《科学》杂志发表论文称，他们利用光激活的分子剪刀“CRISPR”，对人类癌细胞系的基因组DNA进行了快速精确的切割，并解析了修复蛋白修复DNA切口的细节。该成果将来可能帮助我们进一步了解导致衰老和癌症的DNA活动。

“我们将这个新型基因编辑系统命名为‘随需应变的快速CRISPR’，它可在激活后几秒钟内对DNA进行定向切割。”约翰•霍普金斯医学院研究团队的成员、博士后研究员Yang Liu说。

CRISPR改编自古细菌中自然存在的基因编辑系统，它可在向导RNA引导下找到并结合基因组DNA的特定序列，然后DNA会被一种叫做Cas9的酶切割。随后，细胞利用自身蛋白质修复被切割的DNA，科学家们也可以在这个过程中将某些特定序列插入基因组。

近年来，强大的CRISPR工具使科学家能够很容易地改变或编辑DNA序列，进而改变基因功能。

在这项新研究中，科学家们设计了一种光敏RNA分子，这种RNA分子可使CRISPR复合体只有暴露在特定波长光线中才能切割基因组DNA。

约翰•霍普金斯医学院的Roger Zou博士说：“我们的技术优势在于，可以先让CRISPR分子机器找到它的目标，然后在特定光线条件下切割基因组DNA。由此，我们就能更精确地控制DNA切割的时间和位置。”

实验中，研究人员利用电脉冲将带有光敏RNA分子的CRISPR复合体导入了人胚胎肾细胞和骨癌细胞，然后等待12个小时，让CRISPR复合体与基因组DNA的靶位点结合。随后，研究人员用光照射细胞并追踪了CRISPR复合体切割DNA所需的时间。结果发现，在光照射细胞的30秒内，CRISPR复合体已经切割了超过50%的靶位点。

为了进一步研究DNA修复的时间，研究人员还跟踪了参与DNA修复的蛋白质是锁定DNA切口的时间。结果表明，修复蛋白在CRISPR激活后２分钟内开始工作，并在15分钟后完成了修复。

“这些结果证明，光激活CRISPR基因切割的速度非常快，在生物医学研究中具有广泛的应用潜力。而且，明确CRISPR基因切割的时间，也能让我们更精确地看到这个生物过程。此外，相比药物控制的CRISPR系统，光激活的CRISPR系统还能精确控制DNA切割的位置。”约翰•霍普金斯医学院生物物理与生物物理化学、生物物理与生物医学工程的特聘教授Taekjip Ha说。

此外，研究人员还使用高分辨率的显微镜观察了修复蛋白与细胞中CRISPR切割位点的相互作用。

此外，研究人员还发现，在人类细胞中，激活CRISPR能够切割两个基因拷贝中的一个，将来可用于治疗只与一个基因拷贝异常有关的疾病，比如亨廷顿舞蹈病。

Ha说：“这项技术非常适合研究DNA损伤及其影响。科学家们通常会使用电离辐射或化学物质来造成DNA损伤，但这些方法无法针对特定的基因组位置。我们设计的系统刚好可以解决这个问题。”

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编译：花花 

审稿：西莫 

责编：雷鑫宇

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

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