Cell Rep：解釋為何CRISPR-Cas9存在脫靶效應

Cas9蛋白的發現簡化了基因編輯，甚至可能在不遠的將來消除很多遺傳性疾病。利用Cas9，科學家們能夠切割細胞中的DNA，從而校正發生突變的基因，或者將新的遺傳物質導入到這個新被切開的位點上。最初，CRISPR-Cas9系統似乎是非常準確的。然而，如今，顯而易見的是，Cas9有時也切割與它靶向的序列相類似的其他DNA序列。在一項新的研究中，來自荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員開發出一種數學模型來解釋為何Cas9會切割一些DNA序列，同時又讓其他的DNA序列保持完整。相關研究結果發表在2018年2月6日的Cell Reports期刊上，論文標題為「Hybridization Kinetics Explains CRISPR-Cas Off-Targeting Rules」。

圖片來自TU Delft。

CRISPR-Cas9系統是一種保護細菌免受病毒侵害的防禦機制。如果病毒侵入細菌中但不接管這個細菌細胞，那麼這種防禦系統將從病毒中切掉一些遺傳物質並將它儲存在這個細菌自身的基因組中。這種內置的病毒DNA起著遺傳記憶的作用。如果這種相同的病毒再次攻擊這個細菌（或它的後代），那麼它會快速地識別這種發起攻擊的病毒，並且派送Cas9蛋白來追蹤它。利用這種儲存的遺傳物質產生的病毒RNA（CRISPR RNA, crRNA）作為一種「速查表（cheat sheet）」，Cas9尋找這個細菌細胞中的不友好的DNA。如果發現匹配的病毒DNA，那麼CRISPR-Cas9系統會切割這個病毒DNA，從而消除病毒再次入侵的威脅。

有害的影響

科學家們最初認為CRISPR-Cas9若要切割一段DNA序列，那麼這段DNA序列就應與它攜帶的速查表完全匹配。但是，這種猜測如今已被證實是錯誤的。Cas9有時會切割與它正在尋找的靶DNA相類似的DNA序列，但是這些相類似的DNA序列含有多個不同的鹼基。根據代爾夫特理工大學研究員Martin Depken的說法，從進化的角度來看，切割這些稍微不同的DNA序列是非常合理的。他說，「病毒不斷發生變異，因而能夠具有不同於Cas9尋找的靶標的基因組成。通過也切割略有不同的DNA序列，CRISPR-Cas9系統能夠跟蹤病毒的進化和更好地保護這個細菌免受它的攻擊者的攻擊。」

在這種情況下，這對細菌是有益的，但是對人類卻是有害的。如果我們想要利用Cas9編輯基因，那麼除了切割研究人員想要靶向的基因之外，其他的基因不會被切割是非常有必要的。摧毀其他的遺傳物質能夠產生可怕的後果。

已有實驗表明相比於其他的基因編輯工具，CRISPR-Cas9更可能切割某些不匹配的序列。

由博士生Misha Klein領銜的Depken團隊想要知道決定這種偏好的基本物理學是什麼。Depken說，這一切都是關於進行背離RNA模板的鹼基配對所耗費的能量。

Depken解釋道，「當Cas9查驗一種DNA序列是否匹配時，它從這條鏈的一端開始查驗。 隨後，它會依次查驗這條鏈中的所有鹼基。對於每個鹼基匹配，Cas9都會獲得能量，而任何不匹配都會消耗能量。一種DNA序列包含的不匹配的鹼基越多，並且這些不匹配的鹼基越接近這種序列的開始處，Cas9就越不可能對它進行切割，相反，它將從DNA中脫落下來並繼續尋找一段能夠更好地匹配它的RNA模板的DNA序列。

更好的預測

根據Depken的說法，令人吃驚的是，他的團隊開發的這種簡單數學模型非常好地預測了現有的關於Cas9切割行為的數據。如果不匹配的鹼基位於一段DNA序列的末尾，那麼為了增加切割的可能性，Cas9可能需要匯聚足夠的能量來克服這一障礙。該模型還解釋了當Cas9在一段DNA序列的起始處遇到不匹配的鹼基，或者兩個不匹配的鹼基挨得很近時，它為何不能對這段DNA序列進行切割。

當談及一段DNA序列被切割的可能性時，Cas9蛋白本身的物理性質也起作用。Depken和他的同事們如今正在考慮將這個變數整合到他們的模型中。最終，這種模型應該能夠更好地預測Cas9可能產生的切割錯誤。Depken說，「有時，在修復基因時，要選擇精確的位點進行切割，而且我們的模型將有助於確定靶向哪些位點是最合適的。」這種模型提供的物理理解也有助於在編輯DNA時避免發生危及生命的錯誤。

參考資料：Misha Klein, Behrouz Eslami-Mossallam, Dylan Gonzalez Arroyo et al.Hybridization Kinetics Explains CRISPR-Cas Off-Targeting Rules. Cell Reports, 6 February 2018, 22(6):1413–1423, doi:10.1016/j.celrep.2018.01.045

Cell：細胞治療領域觀察者

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