最近在《Journal of Cell Biology》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，美國(guó)麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家，揭示了“CRISPR-Cas9機(jī)器在活細(xì)胞內(nèi)如何運(yùn)作”的重要新細(xì)節(jié)，對(duì)于開(kāi)發(fā)使用強(qiáng)大基因編輯工具的治療方法，具有重要的意義。

本文通訊作者、生物化學(xué)與分子藥理學(xué)教授Thoru Pederson博士說(shuō)：“關(guān)于‘CRISPR-Cas9復(fù)合物如何在活細(xì)胞的基因組周?chē)奶幓顒?dòng)并發(fā)現(xiàn)其靶標(biāo)’的細(xì)節(jié)，我們了解甚少。在這項(xiàng)研究中，我們了解到這臺(tái)機(jī)器是如何工作的，這對(duì)于試圖開(kāi)發(fā)基因編輯工具用于實(shí)驗(yàn)室和臨床的研究者來(lái)說(shuō)，是非常重要的和有用的。”

作為該細(xì)菌免疫系統(tǒng)（防止病毒入侵）的一個(gè)組件，CRISPR-Cas9復(fù)合物是一種強(qiáng)大的基因編輯系統(tǒng)。CRISPR-Cas9適于在實(shí)驗(yàn)室里，它比以前的技術(shù)更有效和精確，因?yàn)榭茖W(xué)家們能找到方法，快速地編程和傳遞它，以選擇性地編輯用于研究的特定基因序列。為了切割一段雙鏈DNA，CRISPR-Cas9利用一段大約20個(gè)堿基對(duì)的向?qū)?/span>RNA，來(lái)靶定基因組的特定靶區(qū)域，然后，Cas9復(fù)合物將進(jìn)行切割。這使得科學(xué)家能夠切除基因組中的基因序列，或向基因組中插入基因序列。

CRISPR/Cas9系統(tǒng)在活細(xì)胞內(nèi)如何運(yùn)作的根本動(dòng)力學(xué)，我們還不清楚，一些傳遞系統(tǒng)和技術(shù)已經(jīng)比其他的更為成功。為了觀察CRISPR-Cas9系統(tǒng)在一個(gè)活細(xì)胞內(nèi)是如何運(yùn)作的，Pederson博士和同事們開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，能用不同的熒光分子來(lái)標(biāo)記導(dǎo)向RNA和Cas9元件，這樣就可以同時(shí)跟蹤它們。

他們發(fā)現(xiàn)，向?qū)?/span>RNA——當(dāng)不結(jié)合Cas9時(shí)，是極其短暫的。當(dāng)Cas9和向?qū)?/span>RNA進(jìn)行組裝時(shí)，該復(fù)合物要穩(wěn)定得多，大約有一半其一生（大概十五分鐘）是在細(xì)胞核內(nèi)，其余的則更為穩(wěn)定。

本文共同第一作者、Pederson實(shí)驗(yàn)室的研究專(zhuān)家馬涵慧（Hanhui Ma）博士指出：“Cas9可使導(dǎo)向RNA穩(wěn)定。如果你分別將向?qū)?/span>RNA和Cas9傳遞入細(xì)胞，以讓它們進(jìn)行組裝，它將不會(huì)那么的有效，因?yàn)橐恍┫驅(qū)?/span>RNA會(huì)降解。如果你把它們都傳遞到細(xì)胞內(nèi)，已經(jīng)組裝，你會(huì)看到更多的活性。”馬博士早年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院。

其他的研究成員——包括RNA療法研究所助理教授David Grunwald博士，Grunwald實(shí)驗(yàn)室博士后Li-Chun Tu博士發(fā)現(xiàn)，通過(guò)Cas9引導(dǎo)性RNA復(fù)合物的靶標(biāo)停留持續(xù)時(shí)間，決定著DNA是否將被切割。當(dāng)向?qū)?/span>RNA序列與靶DNA序列完全匹配時(shí)，這種Cas9引導(dǎo)性RNA復(fù)合物在離開(kāi)之前仍然結(jié)合長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí)的時(shí)間，同時(shí)切割完成。如果是不匹配的引導(dǎo)性RNA靶向DNA序列，該復(fù)合物只會(huì)持續(xù)幾分鐘的時(shí)間，并且切割受損。

馬博士說(shuō)，知道了這一點(diǎn)，科學(xué)家就有可能通過(guò)數(shù)學(xué)方法，根據(jù)CRISPR位于基因組上多久，來(lái)預(yù)測(cè)脫靶切割可能發(fā)生在哪里。馬博士補(bǔ)充說(shuō)：“我們?nèi)匀徊恢?/span>CRISPR的規(guī)則。每個(gè)人都想知道，當(dāng)它進(jìn)入一個(gè)活細(xì)胞時(shí)會(huì)發(fā)生什么。這項(xiàng)研究有助于寫(xiě)一篇《操作手冊(cè)》。”

在今年4月，這個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出了一項(xiàng)利用CRISPR/Cas9的新技術(shù)：CRISPRainbow，它使得研究人員能夠在活細(xì)胞中標(biāo)記和追蹤7個(gè)不同的基因組位點(diǎn)。這一標(biāo)記系統(tǒng)將成為實(shí)時(shí)研究基因組結(jié)構(gòu)的一個(gè)寶貴的工具，研究人員在《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）發(fā)布了關(guān)于它的詳細(xì)資料。

而在2015年《PNAS》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，馬涵慧博士帶領(lǐng)研究人員，利用來(lái)自三種細(xì)菌直系同源物的催化失活Cas核酸內(nèi)切酶（dCas9），設(shè)計(jì)了一種基于CRISPR的多色熒光標(biāo)記系統(tǒng)，可特定而有區(qū)別地同時(shí)標(biāo)記不同對(duì)的染色體位點(diǎn)。每對(duì)dCas9-熒光蛋白和同源單導(dǎo)向RNAs（sgRNAs），可有效地標(biāo)記人活細(xì)胞內(nèi)的幾個(gè)靶位點(diǎn)。從而可讓我們?cè)u(píng)估活細(xì)胞中位點(diǎn)之間的距離。