在過去十年中最受關(guān)注的生物學(xué)突破之一是發(fā)現(xiàn)了基因組編輯工具CRISPR / Cas9，它可以改變DNA并可能消除許多遺傳性疾病的根本原因。最初作為化膿性鏈球菌細(xì)菌的免疫系統(tǒng)的一部分被發(fā)現(xiàn)，CRISPR相關(guān)蛋白9(CAS9)，在其天然狀態(tài)下，識別外源DNA序列并使其失效。在細(xì)菌中，該系統(tǒng)用于靶向來自噬菌體的外來病毒DNA - 它已經(jīng)通過其進化歷史識別為敵人的DNA，并將其記錄到其自身的DNA中。

CRISPR(具有規(guī)則間隔的短回文重復(fù)序列，發(fā)音為“crisper”)代表DNA片段，其包含短重復(fù)堿基序列，隨后是來自先前暴露于外源DNA的短片段“間隔DNA”。該復(fù)合物由解開DNA的蛋白質(zhì)組成，其他在特定位置切割雙螺旋的蛋白質(zhì)，以及能夠識別細(xì)胞中敵人DNA的指導(dǎo)RNA。

研究這種古老免疫系統(tǒng)的研究人員意識到，通過改變指導(dǎo)RNA的序列以匹配給定的目標(biāo)，它不僅可以用于切割病毒DNA，而且可以用于精確選擇位置的任何DNA序列。此外，可以引入新的DNA切片以連接到新切割的切片。

該方法最初由Jennifer Doudna(加州大學(xué)伯克利分校)和Emmanuelle Charpentier(Umeå大學(xué))構(gòu)思和開發(fā)，并已用于培養(yǎng)細(xì)胞 - 包括STEM細(xì)胞 - 和受精卵中，以創(chuàng)建具有靶向突變的轉(zhuǎn)基因動物，有助于研究遺傳功能。CRISPR / Cas9可以同時影響許多基因，從而可以治療涉及許多基因相互作用的疾病。

該方法正在迅速改進，并且有望在有一天應(yīng)用于基礎(chǔ)研究，藥物開發(fā)，農(nóng)業(yè)和治療患有遺傳疾病的人類患者。

然而，創(chuàng)建靶向CRISPR / Cas9突變目前是昂貴且耗時的，特別是對于大規(guī)模研究。該過程也容易出錯，限制了其廣泛使用。這些問題的部分原因在于缺乏對CRISPR / Cas9在分子水平上如何起作用的充分理解。

11月，由Jin Liu領(lǐng)導(dǎo)的北德克薩斯大學(xué)(UNT)的研究團隊使用德克薩斯高級計算中心(TACC)的Maverick超級計算機，對Cas9催化的DNA裂解進行了首次全原子分子動力學(xué)模擬。

“ 自然科學(xué)報告”中報道的模擬揭示了Cas9 基因組編輯的過程。他們還幫助解決了關(guān)于切割的具體方面的爭議：例如，編輯的確切位置以及Cas9是否產(chǎn)生鈍端或交錯結(jié)束的斷裂以及DNA中的突出物。

“目前我們在治療應(yīng)用中如何使用它們存在很多問題。酶的特異性和效率并不高，”劉說。“將酶傳遞到基因編輯的位置也很困難。為了解決這些問題，首先，我們需要知道這種酶是如何起作用的。我們的研究為理解Cas9的機制奠定了基礎(chǔ)。”

科學(xué)家之前通過X射線晶體學(xué)確定了Cas9處于非活動狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，但基因編輯過程發(fā)生得如此之快，以至于沒有實驗技術(shù)可以捕獲其狀態(tài)變化并確切地確定其工作原理。使用分子動力學(xué)模擬 - 通過模擬大量原子在固定時間內(nèi)的相互作用來研究分子動力學(xué)的方法 - 劉和共同作者Zhicheng Zuo，也在UNT，能夠觀察到Cas9酶的變化以飛秒分辨率捕獲轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)的活動狀態(tài)。

模擬包括Mg2 +離子，據(jù)信它可以誘導(dǎo)Cas9中的構(gòu)象變化，因此它可以起作用。研究人員假設(shè)Mg2 +離子通過促進Cas9活性位點和DNA的接近而誘導(dǎo)構(gòu)象變?yōu)榛钴S狀態(tài)。

模擬劉和左在Maverick上運行包含280,000個相互作用的原子。根據(jù)劉的說法，最具挑戰(zhàn)性的部分是有效地采樣構(gòu)造空間以定位活動狀態(tài)。

“我們盡力提高模擬結(jié)果的可靠性，”劉說。“我們做了幾個長200和300納秒的軌跡，我們還做了幾個60納秒的短軌跡，以確保我們得到一致的結(jié)果。對于每種配置，我們至少進行了六次并行模擬。”

除了研究CRISPR / Cas9復(fù)合物如何變?yōu)榛钴S狀態(tài)外，模擬還揭示了它剪斷DNA的位置。

UNT藥物科學(xué)助理教授劉說：“通常人們認(rèn)為它被削減到一個位置，但沒有明確的證據(jù)表明這一點。” “使用我們的計算方法，我們確定切割發(fā)生在另一個位置，這可能意味著這種酶可以以更可控的方式切割DNA。因此，通過這項工作，我們打開了設(shè)計更有效的酶的門，可以切割DNA以更具體的方式。“

他們的最終貢獻回答了基因組編輯是否產(chǎn)生了直接的結(jié)尾或交錯的結(jié)束 - 一個具有實際意義的未解決的問題。

CRISPR / Cas9切割雙鏈DNA的兩半。如果它在兩條線上的相同位置切割，它將產(chǎn)生鈍端; 如果它在略微不同的位置切割，它將產(chǎn)生交錯的結(jié)束。他們的模擬表明CRISPR / CAS9產(chǎn)生交錯的結(jié)束。

“這對于基因編輯非常關(guān)鍵，因為交錯結(jié)束的DNA比鈍端DNA更易控制，”她說。

UNT制藥科學(xué)主席Iok-Hou Pang使用CRISPR / Cas9在他的實驗室進行實驗眼科研究。對于他目前和將來的研究，他都看到了更清楚地理解酶行為的價值。

“我的實驗室一直在使用CRISPR / Cas9 基因編輯系統(tǒng)來敲除培養(yǎng)的小鼠視神經(jīng)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的一種新蛋白質(zhì)，”Pang說。“劉博士的工作將幫助我們理解酶系統(tǒng)與其底物之間的分子相互作用，并最終有助于提高其效率，這對于這種奇妙的分子技術(shù)非常有用。”

2015年，在國家科學(xué)院的支持下，全球科學(xué)家宣布暫停使用CRISPR / Cas9以可遺傳的方式編輯人類基因組(盡管有跡象表明研究人員已經(jīng)打破了這一禁令)。他們說，他們對這個過程以及這樣做的長期影響知之甚少。但像劉的研究有朝一日可以在微調(diào)這些工具并使其適合人類使用方面發(fā)揮作用。

“我們正在努力了解基因組編輯酶的機制，這種機制可能對未來的制藥和治療應(yīng)用具有巨大潛力，這可能使我們更接近這種技術(shù)可用于人類疾病的位置，”劉說“沒有TACC資源這項研究是不可能完成的。“