生物通報道  想象一下如果有一天科學家們能夠在實驗室中改變生物的DNA來尋找一大堆問題的答案，或是醫生可以通過給予一些藥物改變患者的基因組來治療遺傳疾病，會怎么樣？

這或許聽起來就像是科幻小說，但隨著基因組編輯蛋白Cas9和CRISPR的發展，終有一天會變為科學事實。

而在這之前，科學家們必須克服許多的挑戰，包括如何提高這些蛋白質的特異性——在確保基因組編輯蛋白改變靶DNA序列速率的同時，避開相似的脫靶序列。

哈佛大學化學及化學生物學教授David Liu和同事們已經開始著手攻克這一挑戰。

David Liu領導科學家小組開發出了一種可以用一個藥物樣小分子開啟的Cas9工程酶。通過利用這種可激活形式的Cas9，研究小組以比標準形式Cas9高25倍的特異性改變了人類基因組中的靶標。他們的研究論文發表在近期的《自然化學生物學》（Nature Chemical Biology）雜志上。

David Liu說：“這項研究旨在通過準確控制Cas9激活的時間來提高基因組編輯的特異性。我們改造出了只在我們提供細胞給一種無害的、藥物樣小分子時才會激活的Cas9形式。我們證實利用這一系統有可能可以獲得高效的基因組編輯，因為在Cas9擁有足夠的時間改變靶基因后，你可以通過不再提供這種小分子來阻止活性Cas9生成，由此你限制了發生脫靶基因組修飾的機會。”

David Liu說他的實驗室采用了兩種方法來提高基因組編輯蛋白的特異性。第一種，也是最明顯的是，改造出識別較長遺傳序列的蛋白，這使得要求更完美匹配的DNA序列它們才會有效地編輯DNA，因而較難結合脫靶位點。第二種方法是基于對基因組編輯蛋白的認識，不同于傳統的生物學工具和療法，它們只需要在非常有限的時間內激活。

利用一種小分子來控制Cas9這一想法源于David Liu和同事們認識到，不同于所有其他的藥物治療或實驗室使用的工具，基因組編輯并非“穩態”化學。

舉例來說，David Liu指出大多數疾病的治療方式都是一個穩態過程。如果某人受到了一種病原體的感染，而這種病原體需要某種酶來進行繁殖，傳統的療法就會給予一種藥物來阻斷這種酶。

David Liu說：“你所做的就是在推動一種平衡狀態。細菌設法生成這種酶，你供應一種藥物來抑制該酶。如果你停止供應藥物，這種酶可以恢復活性，但如果你一直供應藥物，細菌就會死去。”與之相反，基因組編輯蛋白的任務并非是擾亂一個穩態過程。

“在人類細胞中，你想改變的只有一個或兩個底物分子——你從父母那里得到的基因拷貝。一旦基因組編輯蛋白處理完這一個或兩個靶分子，其在細胞中唯一可做的事情就是干壞事。”

“我們的方法源自基因組編輯并非一個穩態過程這一簡單認識。因此我們希想得到的是足以改變一個或兩個目標基因拷貝的短時間的基因組編輯活性，隨后就除去這種基因組編輯活性，決不允許它回到細胞中。”

為了獲得短時間的Cas9活性，David Liu和同事們改造出了只有當存在一種藥物樣小分子時才會激活的Cas9形式。

“幾乎所有發表的基因組編輯研究都利用的是生成很多基因組編輯因子的載體，往往沒有必要的時間限制——它們可以在數天或更長的時間持續生成基因組編輯蛋白。有了這一系統，我們可以用這一小分子刺激細胞讓Cas9開啟數小時，然后不再供應它，蛋白質就會自然地降解。在小分子的刺激過去后所有生成的Cas9蛋白都將會自然地失去活性。”

隨著技術不斷地改進，David Liu預計像Cas9和CRISPR一類的工具有一天將會變得非常精確，降低至自然的、自發的突變率以下。

“每天你的基因組中都會出現一定數量的突變。關鍵在于確保這一技術所能帶來的利益超過風險。如果我們可以將不必要的基因組修飾比率降至自發突變水平之下，知道向一名人類患者提供一種基因組編輯因子不會顯著提高患者形成癌癥或其他遺傳疾病的風險，無疑是一種安慰。”

盡管努力提高Cas9和其他基因組編輯因子非常重要，David Liu說他也支持近期加州大學伯克利分校的Jennifer Doudna教授和其他科學家們提出的想法：即應暫停在人類中使用這一技術直至更好地認識它們的風險以及評估它們的安全性（延伸閱讀：Nature：中國科學家用CRISPR/Cas9改造人類胚胎 ）。

David Liu說：“這是一種新技術，人們普遍認為它可以在包括人類細胞在內的幾乎所有細胞類型中發揮效應。我認為明智的做法就是搶先在科學家和其他的社會成員之間建立對話，確保這些工具的開發及應用都經過了深思熟慮。”

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文摘要：

Small molecule–triggered Cas9 protein with improved genome-editing specificity

Directly modulating the activity of genome-editing proteins has the potential to increase their specificity by reducing activity following target locus modification. We developed Cas9 nucleases that are activated by the presence of a cell-permeable small molecule by inserting an evolved 4-hydroxytamoxifen–responsive intein at specific positions in Cas9. In human cells, conditionally active Cas9s modify target genomic sites with up to 25-fold higher specificity than wild-type Cas9.