▎藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)編輯

CRISPR-Cas系統(tǒng)為基因編輯提供了強(qiáng)大的多功能工具,。近日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上的一篇研究論文中,， 約翰·霍普金斯（Johns Hopkins）醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì) 介紹了基于CRISPR開(kāi)發(fā)的一套新系統(tǒng),。領(lǐng)銜這項(xiàng)研究的 Taekjip Ha教授 將其命名為“very fast CRISPR”（簡(jiǎn)稱vfCRISPR）。

正如從名字上可以看出來(lái)的,，這把新款“基因剪刀”有超快的速度,。“它可以在激活以后的幾秒鐘之內(nèi)對(duì)DNA進(jìn)行定向切割,。而用以前的技術(shù),，基因編輯可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間，甚至是幾小時(shí),?！边@項(xiàng)研究的第一作者Yang Liu博士說(shuō)。

與傳統(tǒng)的CRISPR-Cas9系統(tǒng)最大的不同是,，新的vfCRISPR使用光照作為啟動(dòng)剪切的開(kāi)關(guān),。為此，科學(xué)家們對(duì)CRISPR復(fù)合物進(jìn)行了改造,。

通常CRISPR需要用一些短片段的RNA分子作為向?qū)?，找到基因組DNA上與向?qū)NA相匹配的序列，然后激活Cas9酶在相應(yīng)位置剪斷DNA分子,。研究小組設(shè)計(jì)了一種對(duì)光敏感的RNA向?qū)Х肿?，從而讓Cas9只有在細(xì)胞暴露于特定波長(zhǎng)的光照時(shí)才會(huì)被激活。

也就是說(shuō),，CRISPR系統(tǒng)找到目標(biāo)后,，不需要過(guò)早地切斷基因,，而是在目標(biāo)點(diǎn)做好準(zhǔn)備，直到有了光照,，立刻啟動(dòng)剪切,。這樣一來(lái)，研究者可以更精確地控制DNA在何時(shí),、何地被切斷,。

▲用光控制CRISPR剪切的設(shè)計(jì)原理：RNA向?qū)Х肿拥囊欢诉B上特定分子，只有在這種分子被特定波長(zhǎng)的光照分解后,，RNA與DNA才能完全配對(duì),，激活Cas9進(jìn)行剪切（圖片來(lái)源：參考資料[2]）

研究人員在培養(yǎng)的細(xì)胞中測(cè)試了vfCRISPR的剪切效率。在將CRISPR和光激活的RNA分子復(fù)合物送入細(xì)胞后,，他們首先等待了12個(gè)小時(shí),，讓CRISPR復(fù)合物結(jié)合到DNA分子的目標(biāo)位置。

然后,，研究人員用一束光照射細(xì)胞,，并追蹤C(jī)RISPR復(fù)合物完成剪切所需的時(shí)間。結(jié)果顯示,，細(xì)胞接收到光照以后的短短30秒鐘內(nèi),，超過(guò)50%的目標(biāo)已經(jīng)完成剪切。

同一期《科學(xué)》上對(duì)vfCRISPR的專(zhuān)文介紹說(shuō),，盡管過(guò)去也有一些方法嘗試用光控制Cas9,，此次對(duì)RNA分子的新設(shè)計(jì)“展現(xiàn)了迄今為止最快的動(dòng)力學(xué)變化”。

▲細(xì)胞接受光照后,，目標(biāo)基因剪切效率最高達(dá)到97%,，30秒內(nèi)約50%DNA斷裂（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

“我們證明了光激活的基因剪切非常快速,，這在生物醫(yī)學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用潛力,。”Ha教授說(shuō),，“揭示CRISPR基因剪切的時(shí)間點(diǎn),，讓我們能更精確地看到生物學(xué)過(guò)程?！?/p>

接下來(lái),，研究人員給出了一個(gè)絕佳的例子,。當(dāng)DNA分子被切斷后,，細(xì)胞檢測(cè)到斷裂，會(huì)很快開(kāi)始用酶和蛋白質(zhì)進(jìn)行修復(fù),。DNA修復(fù)過(guò)程到底多快呢,？借助新的vfCRISPR,，科學(xué)家們現(xiàn)在得出了答案。

正是因?yàn)関fCRISPR能快速,、精確并以“按需”的方式剪切DNA,，研究人員進(jìn)一步看清了DNA修復(fù)過(guò)程的細(xì)節(jié)。他們利用單細(xì)胞熒光成像拍下DNA被剪斷后的細(xì)胞反應(yīng),，看到修復(fù)蛋白在CRISPR激活后的2分鐘內(nèi)就啟動(dòng)工作,，在15分鐘后修復(fù)完成。

除了讓我們看到DNA修復(fù)過(guò)程中前所未見(jiàn)的細(xì)節(jié),，研究人員指出,，新型CRISPR工具的超高時(shí)空分辨率還有很多潛在的應(yīng)用，比如可以幫助我們了解導(dǎo)致衰老和癌癥的DNA活動(dòng),，研究和治療與單個(gè)基因拷貝異常導(dǎo)致的遺傳疾?。ɡ绾嗤㈩D病）,，等等,。

參考資料：

[1] Yang Liu et al., (2020) Very fast CRISPR on demand. Science. DOI: 10.1126/science.aay8204

[2] Darpan Medhi et al., (2020) CRISPR at lightning speeds. Science. DOI: 10.1126/science.abc3997

[3] Light-Activated 'CRISPR' Triggers Precision Gene Editing and Super-Fast DNA Repair. Retrieved June 18, 2020, from https://www./news/newsroom/news-releases/light-activated-crispr-triggers-precision-gene-editing-and-super-fast-dna-repair

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