一周之內連發《科學》和《自然》，新型CRISPR為啥那麼火？
在生物醫學領域，如果一個研究方向能連續在頂級期刊上刊發論文，那其熱門程度自然不言而喻。上周，張鋒教授團隊剛剛在《科學》雜誌上報道了一種全新的CRISPR基因編輯工具。在今日最新上線的《自然》論文中，又有一款CRISPR基因編輯工具橫空出世。
與傳統的基因編輯方法不同，這兩項工具並不會簡單粗暴地切開雙鏈DNA，並期望同源重組機制對切開的位點進行修復。相反，它們利用的是全新的「轉座子」系統。
在介紹最新研究前，我們先來看看經典的CRISPR-Cas基因編輯系統——在特定的基因組位點，一種酶會先在雙鏈DNA上切開一個口子。然後根據研究人員們加入的參照序列，這些細胞會使用自身的DNA修復系統，把切開的口子修復成人們所期望的模樣。
這套機制在過去已被證明行之有效，但也暴露出了不少潛在的問題，譬如許多細胞在修復DNA時，會引入一些錯誤。又譬如一些細胞在雙鏈DNA斷裂之後，會出現意想不到的副作用。
▲本研究的通訊作者Sam Sternberg教授（圖片來源：哥倫比亞大學Sam Sternberg教授實驗室官網）
「現在的工具就像是分子剪刀。它們能剪開DNA，但實際上的編輯工作是交給了細胞自身的修復機制，」本研究的通訊作者，哥倫比亞大學的Sam Sternberg教授說道：「你只能祈禱細胞能做好它們的工作。」
為了突破傳統工具的局限，研究人員們決定引入不依賴細胞本身的基因編輯元件。而他們最終的發現來自一種看似很危險的生物——霍亂弧菌（Vibrio cholera）。
這種細菌因能引起霍亂而知名。但Sternberg教授與他的學生們在篩選潛在基因編輯元件時，發現這種細菌有著一種優良的特質——它們體內有一種「轉座子」，也稱跳躍基因。顧名思義，它們能夠讓基因發生「跳躍」，並整合到基因組的不同位點中。研究人員們指出，這種整合功能並不涉及同源重組修復，也就是經典CRISPR-Cas系統的編輯方法。
▲利用轉座子技術定點插入DNA序列的示意圖（圖片來源：Sam Sternberg/Columbia University Irving Medical Center）
利用這種轉座子，研究人員們開發了一種全新的基因編輯系統。與其說它是一把「剪刀」，不如說它是一管「膠水」。利用CRISPR體系，它前往基因組的特定位點。隨後，它能以一種高度可控的方法，把外源基因整合入基因組。實驗結果表明，他們能將任何不超過10kb的DNA序列插入到任何細菌基因組的特定位點。
「我們並沒有簡單引入DNA斷裂，依賴細胞對其進行修復，」 Sternberg教授點評道：「這套INTEGRATE系統直接將預先設定的DNA序列精準地插入到基因組的位點，這是許多分子生物學家追求數十年的結果。」
這套全新的工具也帶來了全新的應用前景。研究人員們指出，這有望讓CRISPR基因編輯工具在保持簡便使用的同時，避免與DNA斷裂相關的潛在副作用。下一步，研究人員們期待對其進行優化，測試它在不同細胞（包括哺乳動物細胞）中的基因編輯效果。
參考資料：
[1] Sanne E. Klompe, et al., (2019), Transposon-encoded CRISPR–Cas systems direct RNA-guided DNA integration, Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1323-z
[2] New gene editor harnesses jumping genes for precise DNA integration, Retrieved June 12, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-06/cuim-nge061119.php
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