加州大學(xué)舊金山分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以使用由細(xì)菌病毒產(chǎn)生的新鑒定的抗CRISPR蛋白質(zhì)來關(guān)閉廣泛使用的CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)。該技術(shù)有可能提高臨床和基礎(chǔ)研究中CRISPR應(yīng)用的安全性和準(zhǔn)確性CRISPR-Cas9在細(xì)菌中進(jìn)化，作為一種免疫系統(tǒng)來預(yù)防病毒感染，但在過去十年中，它作為一種通用基因編輯系統(tǒng)激發(fā)了研究人員和公眾的興趣，使科學(xué)家能夠快速有效地修改遺傳信息并進(jìn)行調(diào)整幾乎任何生物體中的基因活性。

許多希望CRISPR將加速直接治療遺傳性疾病的努力，以及許多其他應(yīng)用，但在大多數(shù)情況下，該技術(shù)還沒有被證明足夠精確，偶爾進(jìn)行意外的編輯以及預(yù)期的編輯。研究人員和生物倫理學(xué)家也擔(dān)心，該技術(shù)的強大功能和易用性提高了它可能有意或無意造成傷害的可能性。

Bondy-Denomy說，新發(fā)現(xiàn)的抗CRISPR蛋白質(zhì)是第一個對實驗室和新興基因編輯行業(yè)最常用的CRISPR-Cas9系統(tǒng)起作用的蛋白質(zhì)，可以幫助解決這兩個問題，從而實現(xiàn)更精確的控制。 CRISPR應(yīng)用程序，但也提供故障保護(hù)，以快速阻止任何潛在有害的技術(shù)用途。

為了找到這樣的轉(zhuǎn)變，Bondy-Denomy和Rauch轉(zhuǎn)向了病毒和細(xì)菌之間數(shù)十億年的軍備競賽，這種競爭產(chǎn)生了CRISPR系統(tǒng)本身：

“正如CRISPR技術(shù)是從細(xì)菌中的天然抗病毒防御系統(tǒng)發(fā)展而來的，我們也可以利用病毒雕刻的抗CRISPR蛋白來克服這些細(xì)菌防御，”Rauch說。

如何做到：識別“自我靶向”細(xì)菌

為了發(fā)現(xiàn)一種抗CRISPR蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)可以對抗大多數(shù)實驗室現(xiàn)在使用的CRISPR-Cas9系統(tǒng)的類型，這取決于一種名為SpyCas9的蛋白質(zhì)作為其靶向的DNA剪切器，研究人員提出了一個聰明的伎倆：他們推斷他們應(yīng)該能夠通過尋找所謂的“自我靶向” - 細(xì)菌菌株的證據(jù)來鑒定具有滅活的CRISPR系統(tǒng)的細(xì)菌，其中一些病毒已成功通過Cas9阻斷并將其基因插入細(xì)菌基因組中。該團(tuán)隊假設(shè)這些噬菌體必須編碼一些抗CRISPR試劑，否則Cas9會通過切割其自身的基因組來殺死細(xì)菌，其中已插入病毒DNA。

“Cas9不是很聰明，”Bondy-Denomy說。“如果計劃這樣做，就無法避免切割細(xì)菌自身的DNA。所以我們尋找的細(xì)菌菌株，其中CRISPR-Cas9系統(tǒng)應(yīng)該針對自己的基因組 - 細(xì)胞不會自我破壞的事實是一個線索，整個CRISPR系統(tǒng)被滅活。“

利用Rauch設(shè)計的生物信息學(xué)方法，研究小組檢測了近300株李斯特菌，這是一種以其在食源性疾病中的作用而聞名的細(xì)菌屬，并發(fā)現(xiàn)3%的菌株表現(xiàn)出“自我靶向”。進(jìn)一步研究分離出四種不同的抗CRISPR蛋白，證明能夠阻斷李斯特菌Cas9蛋白的活性，這與SpyCas9非常相似。

另外的實驗表明，四種抗CRISPR蛋白中的兩種 - 研究人員稱其為AcrIIA2和AcrIIA4--用于抑制常用SpyCas9靶向其他細(xì)菌(如大腸桿菌)中特定基因的能力，以及人體細(xì)胞?？傊Y(jié)果表明AcrIIA蛋白是CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)的有效抑制劑，因為它已被世界各地的實驗室采用。

“下一步是在人體細(xì)胞中顯示使用這些抑制劑實際上可以通過減少脫靶效應(yīng)來提高基因編輯的精確度，”Rauch說。“我們還想確切了解抑制蛋白如何阻斷Cas9的基因靶向能力，并繼續(xù)在其他細(xì)菌中尋找更多更好的CRISPR抑制劑。”

關(guān)閉開關(guān)可以提高許多CRISPR應(yīng)用的準(zhǔn)確性和安全性

Rauch和Bondy-Denomy相信，通過解決持續(xù)存在的意外“脫靶”基因修飾問題，停用SpyCas9的能力將使基于CRISPR的基因編輯更加安全和精確，這種修飾更可能發(fā)生在CRISPR基因編輯機(jī)器的更長時間內(nèi)活躍于靶細(xì)胞中。

對于科學(xué)家來說，這一發(fā)現(xiàn)也可能是一項福音，因為他們使用了部分在UCSF開創(chuàng)的新的CRISPR技術(shù) - 例如CRISPR干擾和CRISPR激活 - 它們使用Cas9不修改基因序列，而是精確調(diào)整其活性上下。使用抗CRISPR蛋白，研究人員可以暫時增強或阻斷基因活動，甚至可能使基因組中相互連接基因組的精心設(shè)計的活動同步，這可能是研究和治療復(fù)雜的多基因疾病的關(guān)鍵。

研究人員表示，CRISPR抑制劑也可以證明是一種有價值的保護(hù)措施，使科學(xué)家能夠迅速停止在實驗室外進(jìn)行CRISPR 基因編輯的任何應(yīng)用。

“研究人員和公眾都非常擔(dān)心CRISPR的功能如此強大，以至于它可能被用于危險的用途，”Bondy-Denomy說。“這些抑制劑提供了阻止邪惡或失控的CRISPR應(yīng)用的機(jī)制，使探索這種技術(shù)可以用來幫助人們的所有方法更安全。”