得益于重新设计的Cas9蛋白，基因编辑变得更安全

在人类身上使用基于crispr的基因编辑的一个重大挑战是，分子机制有时会对宿主基因组的错误部分进行更改，这就有可能在基因组某个点上修复基因突变创建另一种危险的新突变。

但现在，德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的科学家们重新设计了一种广泛使用的基于crispr的基因编辑工具的关键组件，称为Cas9，使其针对错误DNA片段的可能性降低了数千倍，同时保持与原始版本一样的效率，这可能使其更安全。这项工作在今天发表在杂志上的一篇论文中进行了描述自然．

分子生物科学教授肯尼斯·约翰逊(Kenneth Johnson)说:“就CRISPR Cas系统在基因编辑中的更广泛应用而言，这确实可能是一个游戏规则改变者。”他与分子生物科学助理教授大卫·泰勒(David Taylor)共同撰写了这项研究的资深作者。这篇论文的共同第一作者是博士后Jack Bravo和Mu-Sen Liu。

其他实验室重新设计了Cas9以减少脱靶相互作用，但到目前为止，所有这些版本都是通过牺牲速度来提高精度的。这个新版本被称为SuperFi-Cas9，它切断脱靶位点的可能性要低4000倍，但速度和自然生成的Cas9一样快。布拉沃说，你可以把实验室生成的不同版本的Cas9想象成不同型号的自动驾驶汽车。大多数型号都很安全，但它们的最高速度为每小时10英里。

布拉沃说:“它们比自然产生的Cas9更安全，但代价很大:它们的速度非常慢。”“SuperFi-Cas9就像一辆被设计得非常安全的自动驾驶汽车，但它仍然可以全速行驶。”

到目前为止，研究人员已经在试管中证明了SuperFi-Cas9在DNA上的使用。他们现在正与其他研究人员合作，计划测试SuperFi-Cas9在活细胞中的基因编辑功能。他们还在努力开发更安全、更活跃的Cas9版本。

基于crispr的基因编辑工具改编自细菌中自然存在的系统。在自然界中，Cas9蛋白漂浮在环境中，寻找具有20个字母序列的DNA，就像海盗地图上表示“在这里挖”的X。有时，当大多数字母都是正确的，除了第18到20点，Cas9仍然会继续挖掘。这被称为不匹配，它可能会在基因编辑中产生灾难性的后果。

泰勒和约翰逊开发了一种称为动力学引导结构测定的技术，使用Sauer结构生物学实验室的冷冻电子显微镜拍摄Cas9与这种不匹配的DNA相互作用时的快照。

他们惊奇地发现，当Cas9在第18位到第20位遇到这种不匹配时，它没有放弃并继续前进，而是有一个手指状的结构俯冲下来并抓住DNA，使其表现得好像它是正确的序列。正常情况下，不匹配会让DNA变得松软;这个手指状的结构使它稳定。

布拉沃说:“这就像你有一把椅子，其中一条腿被折断了，你只是用胶带把它粘在一起。”“它仍然可以作为椅子使用，但可能会有点摇晃。这是一个相当肮脏的解决方案。”

如果DNA中没有这种额外的稳定性，Cas9就不会采取切割DNA和编辑DNA所需的其他步骤。以前从来没有人观察到这根额外的手指能起到这种稳定作用。

泰勒说:“这是我在一百万年里都无法想象的事情。”

基于这一观点，他们重新设计了Cas9上多余的手指，这样就不会稳定含有错配的DNA部分，而是将手指从DNA中推开，从而阻止Cas9继续切割和编辑DNA的过程。结果就是SuperFi-Cas9，这种蛋白质可以像天然存在的Cas9一样容易切割正确的目标，但不太可能切割错误的目标。

其他作者还有Grace Hibshman, Tyler Dangerfield, Kyungseok Jung和Ryan McCool，他们同样来自德克萨斯大学奥斯汀分校。

布拉沃、刘、希布什曼、丹泽菲尔德、约翰逊和泰勒是一项专利申请的发明者，该专利申请涵盖了基于这项工作的新型Cas9设计。德克萨斯大学奥斯汀分校的技术商业化办公室正在管理知识产权，并努力寻找可以帮助实现该技术巨大潜力的行业合作伙伴。

这项工作得到了韦尔奇基金会、小罗伯特·j·克莱伯格和海伦·c·克莱伯格基金会的部分支持。泰勒是德克萨斯州癌症预防和研究所支持的CPRIT学者。泰勒还得到了结构生物学大卫·泰勒卓越基金的支持，该基金得到了朱迪和亨利·绍尔的支持。