基因编辑获得三重提升:“快乐的意外”提高了CRISPR的效率

科学家利用链间交联将CRISPR/Cas9基因编辑的效率提高了三倍，而无需借助病毒材料进行传递。这种方法增强了细胞的自然修复机制，允许更准确和有效的基因编辑，潜在地改善疾病研究和临床前工作。

　　

       

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员已经开发出一种方法，可以显着提高CRISPR/Cas9基因编辑的效率，而无需使用病毒材料来传递遗传模板。发表在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上的一篇论文概述了这种方法，它利用链间交联来刺激同源定向修复，这是基因编辑过程中的一个步骤，在不提高突变频率的情况下，将效率提高了三倍。这些通常用于癌症化疗的交联，被发现可以促进细胞的自然修复机制，提高基因编辑成功的可能性

基因编辑在研究和治疗方面都是一种强大的方法。自获得诺贝尔奖的CRISPR/Cas9技术问世以来，科学家们一直在努力探索其能力并提高其性能。CRISPR/Cas9技术是一种快速而准确的基因组编辑工具，于2012年被发现。

加州大学圣巴巴拉分校生物学家Chris Richardson实验室的研究人员已经增加了这个增长工具箱，他们发明了一种方法，可以提高CRISPR/Cas9编辑的效率，而无需使用病毒材料来传递用于编辑目标基因序列的遗传模板。根据他们发表在《Nature Biotechnology》杂志上的新论文，他们的方法在不增加突变频率或改变末端连接修复结果的情况下，将同源定向修复(基因编辑过程中的一个步骤)刺激了大约三倍。

Richardson说:“我们发现了一种化学修饰，可以改善非病毒基因编辑，还发现了一种有趣的新型DNA修复。”

查找，剪切和粘贴

CRISPR/Cas9方法的工作原理是利用细菌对病毒攻击者的防御技术。为了做到这一点，细菌剪下一段入侵病毒的遗传物质，并将其合并到自己的遗传物质中，以便以后识别它。如果细菌再次受到感染，它们可以针对现在熟悉的基因序列进行破坏。

在基因编辑中，这个过程使用Cas9酶作为分子“剪刀”，在CRISPR系统的指导下剪切它识别的序列。这种切割也是一个机会，利用细胞的自然修复机制，用类似的(同源的)但改进的基因取代被切断的基因。如果成功，细胞应该具有修改后的表达和功能。

为了将修复模板DNA传递到其遗传物质所在的细胞核，通常会使用病毒。研究人员说，虽然它们是有效的，但病毒的工作流程“昂贵，难以扩展，对细胞有潜在的毒性”。

尽管研究人员仍然必须克服效率和毒性障碍，但非病毒模板可能更便宜，更可扩展。在他们的研究中，理查森实验室发现，在工作流程中引入链间交联可以显著增加同源定向修复。

Richardson说:“我们采用这种方法的每个工作流程的效果都提高了大约三倍。  

链间交联是一种损伤，它使DNA螺旋的双链彼此相连，使它们无法复制。癌症化疗利用这一机制来阻断肿瘤生长并杀死癌细胞。然而，添加到同源定向修复模板中，这些交联被发现可以刺激细胞的自然修复机制，并增加编辑成功的可能性。

Richardson说:“基本上，我们所做的就是提取模板DNA并破坏它。事实上，我们已经以我能想到的最严重的方式破坏了它。细胞不会说，‘嘿，这是垃圾;让我把它扔掉。’细胞实际上说的是，‘嘿，这看起来很棒;让我把它插入我的基因组。’”其结果是一种高效、不容易出错的非病毒基因编辑系统。

他们的发现，就像许多科学上的突破一样，实际上是一个令人愉快的意外。在致力于纯化蛋白质以研究DNA修复时，研究生研究员和主要作者Hannah Ghasemi注意到他们的实验结果发生了意想不到的变化。

“我们将这些化学修饰引入DNA模板，以便能够将它们从细胞中提取出来，看看哪些蛋白质与它们结合在一起，我只是想看看这种修饰是否以某种方式影响了编辑。我本来以为要么没有变化，要么实际上可能会对编辑产生负面影响。”        

相反，她发现了积极的影响，编辑活动是未交联控件的三倍。此外，研究小组发现，即使基因编辑增加了——因此出错的几率也增加了——突变频率也没有增加。他们仍在研究导致这一结果的具体机制，但他们已经有了想法。

Richardson说:“我们认为发生的事情是细胞检测并试图修复我们添加了这种交联的受损DNA。在这样做的过程中，它会延迟细胞通过一个检查点，在那里它通常会阻止这种重组过程。因此，通过延长细胞进行这种重组所需的时间，就更有可能完成编辑。”研究这一新过程还可以更好地了解细胞如何检测编辑试剂，以及它们如何“决定”接受或不接受这些试剂。

根据该团队的说法，这种方法将在离体基因编辑应用中得到最大的应用，即在疾病研究和临床前工作领域。

“我们可以更有效地敲除基因，并在基因组中插入一些东西，从而在实验室环境中研究人体外的系统，”Ghasemi说。这一发展使他们能够更有效地建立疾病模型并测试关于疾病如何工作的假设，这可能导致更好的临床和治疗方法。   

参考文献:

Interstrand crosslinking of homologous repair template DNA enhances gene editing in human cells” by Hannah I. Ghasemi, Julien Bacal, Amanda C. Yoon, Katherine U. Tavasoli, Carmen Cruz, Jonathan T. Vu, Brooke M. Gardner and Chris D. Richardson, 27 February 2023, Nature Biotechnology.