在人类身上使用基于CRISPR的基因编辑所面临的巨大挑战之一是这种分子机器有时会对宿主基因组的不正确位点进行修改，这就造成了一种可能性，即试图修复基因组中一个位点的基因突变可能会意外地在另一个位点产生危险的新突变。
但是如今，在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员对一种广泛使用的基于CRISPR的基因编辑工具中的一个关键组件---Cas9---进行重新设计，使得它靶向错误的DNA片段的可能性降低数千倍，同时保持与原始的Cas9版本一样的效率，使得它可能更加安全。相关研究结果于2022年3月2日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Structural basis for mismatch surveillance by CRISPR–Cas9”。论文通讯作者为德克萨斯大学奥斯汀分校分子生物科学教授Kenneth Johnson和德克萨斯大学奥斯汀分校分子生物科学助理教授David Taylor。论文第一作者是博士后Jack Bravo和Mu-Sen Liu。
Johnson说，“就CRISPR/Cas系统在基因编辑中的广泛应用而言，这真地可能会引发变革。”
其他实验室已经重新设计了Cas9以减少脱靶相互作用，但到目前为止，所有这些版本都是通过牺牲速度来提高准确性。在这项新的研究中，这些作者开发的Cas9新版本---SuperFi-Cas9---切割脱靶位点的可能性降低了4000倍，但与天然的Cas9一样快。Bravo说，你可以把实验室生成的不同版本的Cas9想象成不同型号的自驾车。大多数模型确实很安全，但它们的最高速度为每小时10英里。
Bravo说，“它们比自然产生的Cas9更安全，但这是有很大代价的。它们的速度极慢。SuperFi-Cas9就像一辆自动驾驶汽车，它被设计得非常安全，但它仍然可以全速前进。”
到目前为止，这些作者展示了SuperFi-Cas9在试管中的DNA上的应用。他们如今正与其他科学家合作，计划测试SuperFi-Cas9在活细胞中的基因编辑。他们还在努力开发更安全、更活跃的Cas9版本。
基于CRISPR的基因编辑工具是由细菌中的天然系统改编而成的。在自然界中，Cas9蛋白在环境中漂浮，寻找具有20个碱基的非常具体序列的DNA，就像海盗地图上的X，表示“在这里挖掘”。有时，当大多数碱基都是正确的时候，除了第18至20位点的碱基，Cas9仍然继续前进并挖掘。这被称为错配，它在基因编辑中可能会产生灾难性的后果。
Taylor和Johnson开发出一种称为动力学引导的结构测定（kinetics-guided structure determination）的技术，该技术使用绍尔结构生物学实验室的低温电镜拍摄Cas9与这种不匹配的DNA相互作用时的快照。他们吃惊地发现，当Cas9在第18至20位点遇到这种类型的错配时，它没有放弃并继续前进，并且有一种类似手指的结构，该结构扑向DNA并抓住它，使它表现得好像是正确的序列。通常情况下，错配会让DNA有点松散；这种手指状结构可以稳定它。
Bravo说，“这就像你有一把椅子，其中一条腿被折断了，你只是用胶带把它重新粘在一起。它仍然可以作为一把椅子使用，但它可能有点摇摆不定。这是一个相当肮脏的修复。”
如果没有DNA中增加的稳定性，Cas9就不会采取切割DNA和进行编辑所需的其他步骤。以前从来没有人观察到这种额外的手指状结构在做这种稳定工作。Taylor说，“这是一件我永远都不会想到的事，在我的脑海里，永远都不会想到会发生的事。”
基于这一见解，他们重新设计了Cas9上的这种额外的手指状结构，使得它不再稳定包含错配的DNA部分，而是将这种手指状结构推离DNA，从而阻止Cas9继续切割和编辑DNA。他们开发出的SuperFi-Cas9与天然的Cas9一样容易切割正确靶标，但切割错误靶标的可能性要小得多。
参考资料：
Jack P. K. Bravo et al. Structural basis for mismatch surveillance by CRISPR–Cas9. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04470-1.
