生物通報(bào)道 在過去的一年里，一組稱作為CRISPR-Cas RNA引導(dǎo)性核酸酶（RNA-guided nucleases，RGNs）的合成蛋白被用作為基因編輯工具，讓科學(xué)團(tuán)體陷入極大的興奮。利用這一某些細(xì)菌用以對(duì)抗病毒和其他病原體的方法，CRISPR-Cas RGNs可在特異位點(diǎn)切斷DNA鏈，由此插入新的遺傳物質(zhì)。

然而，近日來自麻省總醫(yī)院（MGH）的研究人員發(fā)現(xiàn)了使用CRISPR-Cas RGNs一個(gè)重要的局限：會(huì)在預(yù)期靶點(diǎn)以外的位點(diǎn)上生成多余的DNA突變。這項(xiàng)研究在線發(fā)表在6月23日的《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志上。

論文的共同資深作者、麻省總醫(yī)院病理系研究副主任J. Keith Joung博士說：“我們發(fā)現(xiàn)，在人類細(xì)胞中表達(dá)CRISPR-Cas RGNs可產(chǎn)生脫靶效應(yīng)。相比于其他的基因組編輯技術(shù)，RGNs仍然具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但這些研究發(fā)現(xiàn)將我們的研究焦點(diǎn)放到了提高它們的精確度上。”

CRISPR-Cas RGNs是由一種叫做Cas 9的DNA切割酶，與一段與靶DNA片段匹配的20個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的短RNA片段構(gòu)成，它模擬了某些細(xì)菌的原始免疫系統(tǒng)。當(dāng)這些微生物受到病毒或其他生物體的感染時(shí)，它們會(huì)拷貝入侵者的一段遺傳密碼，將它插入到自身的DNA中，并傳遞給細(xì)菌后代。如果在未來遇到相同的病原體，細(xì)菌的Cas9在與拷貝DNA片段匹配的RNA序列的引導(dǎo)下，通過在靶位點(diǎn)切割病原體的DNA而滅活它。

大約在一年前，科學(xué)家們報(bào)告稱首次利用重編程的CRISPR-Cas RGNs，靶向并切割了特異的DNA位點(diǎn)。自那時(shí)起，包括Joung研究小組在內(nèi)的數(shù)個(gè)研究團(tuán)體，都成功利用CRISPR-Cas RGNs在果蠅、斑馬魚、小鼠和人類細(xì)胞（包括多能干細(xì)胞）中實(shí)現(xiàn)了基因組改造。該技術(shù)依靠一段短的RNA片段，使得CRISPR-Cas RGNs相比于鋅指核酸酶（zinc finger nucleases,ZFNs）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng).物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)等其他的基因編輯工具更容易使用，并且通過重編程RGNs可以同時(shí)導(dǎo)入幾種遺傳改變。

然而，一直以來都基本無人探討CRISPR-Cas RGNs可能引起額外的不必要遺傳改變的可能性，于是Joung研究小組開始著手調(diào)查在表達(dá)CRISPR-Cas RGNs的人類細(xì)胞中“脫靶”基因的發(fā)生情況。由于引導(dǎo)RNA片段和靶DNA之間的相互作用僅僅依靠于20個(gè)核苷酸，他們推測(cè)RNA有可能會(huì)識(shí)別與靶DNA存在幾個(gè)核苷酸差異的DNA片段。

盡管以往的研究發(fā)現(xiàn)，單核苷酸錯(cuò)配可以阻止某些CRISPR-Cas RGNs起作用，麻省總醫(yī)院研究小組在人類細(xì)胞系實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)例子，證實(shí) 5個(gè)核苷酸的錯(cuò)配不會(huì)妨礙切割一段脫靶DNA片段。他們還發(fā)現(xiàn)，脫靶位點(diǎn)的突變率有可能和靶位點(diǎn)一樣高，或甚至更高，但卻未發(fā)現(xiàn)與ZFNs（索取鋅指核酸酶相關(guān)產(chǎn)品資料 ）或TALENs（索取GeneArt Precision TAL的更多信息）相關(guān)的脫靶突變。

Joung 說：“我們的研究結(jié)果并不意味著，RGNs不能成為重要的研究工具，而是表明研究人員需要在他們的實(shí)驗(yàn)中考慮這些潛在的混雜效應(yīng)。它們還表明，現(xiàn)有的RGN平臺(tái)或許不適合治療應(yīng)用。我們現(xiàn)正致力于找到一種方法減少這些脫靶效應(yīng)，以及開發(fā)一些方法鑒別人類細(xì)胞中任何給定RGN的所有潛在脫靶位點(diǎn)，這樣我們就可以評(píng)估開發(fā)的第二代RGN平臺(tái)是否確實(shí)在全基因組水平上更為精確。我樂觀地認(rèn)為，我們可以進(jìn)一步的操縱這一系統(tǒng)，獲得更好的特異性，因而有可能將之應(yīng)用于人類疾病治療。”

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文摘要：

High-frequency off-target mutagenesis induced by CRISPR-Cas nucleases in human cells

Clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat (CRISPR) RNA-guided nucleases (RGNs) have rapidly emerged as a facile and efficient platform for genome editing. Here, we use a human cell–based reporter assay to characterize off-target cleavage of CRISPR-associated (Cas)9-based RGNs. We find that single and double mismatches are tolerated to varying degrees depending on their position along the guide RNA (gRNA)-DNA interface. We also readily detected off-target alterations induced by four out of six RGNs targeted to endogenous loci in human cells by examination of partially mismatched sites. The off-target sites we identified harbored up to five mismatches and many were mutagenized with frequencies comparable to (or higher than) those observed at the intended on-target site. Our work demonstrates that RGNs can be highly active even with imperfectly matched RNA-DNA interfaces in human cells, a finding that might confound their use in research and therapeutic applications.