日前，一個(gè)國際研究小組在了解酶如何“編輯”基因方面取得了重要進(jìn)展：觀察到了一類被稱為 CRISPR 的酶綁定并改變 DNA 結(jié)構(gòu)的過程。這項(xiàng)刊登在《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》（PNAS）上的研究成果有望為糾正人類的遺傳疾病鋪平道路。
CRISPR 意即“成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)”，在上世紀(jì) 80 年代才首次為人們所認(rèn)知。到目前為止，已發(fā)現(xiàn) 40% 已測序細(xì)菌和 90% 已測序古細(xì)菌的基因組存在這種重復(fù)序列，而且細(xì)菌已開發(fā)出一套可以探測和切斷外來 DNA 的免疫策略。其機(jī)理大致如此： CRISPR 序列與很多病毒、噬菌體或者質(zhì)粒的 DNA 序列同源，受到攻擊的細(xì)菌會以相匹配的 DNA 為目標(biāo)進(jìn)行自然防御。它們所采用的手段，就是利用一種名為 Cas9 的內(nèi)切酶，裂解外來 DNA 。
基因工程師們意識到，如果將細(xì)菌的 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)插入其它生物體細(xì)胞，它們也能夠?qū)δ繕?biāo) DNA 進(jìn)行切割。就在去年，這一革命性的基因編輯技術(shù)收獲了一系列成果：多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功對人體、小鼠、斑馬魚、大米、小麥等細(xì)胞中的基因進(jìn)行刪除、添加、激活或抑制等操作，從而證明該技術(shù)的廣泛適用性。
不過，人類基因組有 30 億個(gè)堿基對，要準(zhǔn)確鎖定某個(gè)目標(biāo) DNA ，工作量大致相當(dāng)于從一套 23 卷的《百科全書》中找出一個(gè)拼錯的單詞。因此，研究人員為 Cas9 這把“基因剪刀”找了一個(gè)與目標(biāo)基因匹配的RNA（核糖核酸）作為“導(dǎo)航儀”。在這個(gè)靶向過程中， Cas9 拉開 DNA 鏈，并插入RNA，使之形成了一個(gè)被稱為R環(huán)的特定序列結(jié)構(gòu)。
在最新研究中，英國布里斯托爾大學(xué)和立陶宛生物技術(shù)研究所的科學(xué)家使用經(jīng)過特別改裝的顯微鏡對 R 環(huán)模型進(jìn)行了檢測。顯微鏡下的單個(gè) DNA 分子被磁場拉伸著，通過改變 DNA 受到的扭力，他們能夠直接觀測由單個(gè) CRISPR 酶介導(dǎo)R環(huán)形成的過程。這使得這個(gè)過程中以前不為人知的一些步驟畢現(xiàn)無疑，也讓研究人員能夠探討 DNA 堿基對序列對R環(huán)形成的影響。
論文第一作者、布里斯托爾大學(xué)生物化學(xué)系教授 Mark Szczelkun 表示：“我們進(jìn)行的單分子實(shí)驗(yàn)加深了有關(guān) DNA 序列對 R 環(huán)形成的影響的認(rèn)識。這將有助于未來合理地重新設(shè)計(jì) CRISPR 酶，以提高其精確度，將脫靶效應(yīng)（即在不需要的地方引起基因變異）降至最低。這對我們最終利用這些工具來糾正患者的遺傳疾病至關(guān)重要。”
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原文檢索：
Mark D. Szczelkun, Maria S. Tikhomirova, Tomas Sinkunas, Giedrius Gasiunas, Tautvydas Karvelis,Patrizia Pschera, Virginijus Siksnys, and Ralf Seidel. Direct observation of R-loop formation by single RNA-guided Cas9 and Cascade effector complexes. PNAS, May 27, 2014; doi:10.1073/pnas.1402597111