研究人员发现了一种改善非病毒基因编辑以及新型DNA修复的方法

基因编辑是研究和治疗的有力方法。自从9年发现的获得诺贝尔奖的CRISPR / Cas2012技术(一种快速准确的基因组编辑工具)出现以来，科学家们一直在努力探索其功能并提高其性能。

加州大学圣巴巴拉分校生物学家克里斯·理查森(Chris Richardson)实验室的研究人员已经添加到这个不断增长的工具箱中，该方法提高了CRISPR / Cas9编辑的效率，而无需使用病毒物质来传递用于编辑目标基因序列的遗传模板。根据他们发表在《自然生物技术》杂志上的新论文，他们的方法刺激同源定向修复(基因编辑过程中的一个步骤)大约三倍，“而不会增加突变频率或改变末端连接修复结果”。

“我们发现了一种化学修饰，可以改善非病毒基因编辑，还发现了一种有趣的新型DNA修复，”理查森说。

查找、剪切和粘贴

CRISPR / Cas9方法的工作原理是利用细菌对病毒攻击者的防御技术。为此，细菌会剪下入侵病毒的一块遗传物质，并将其整合到自己的遗传物质中，以便以后识别它。如果细菌再次被感染，它们可以靶向现在熟悉的基因序列进行破坏。

在基因编辑中，这个过程使用Cas9酶作为分子“剪刀”，在CRISPR系统的指导下剪切它识别的序列。这种切割也是一个机会，利用细胞的自然修复机制，用相似(同源)但改进的基因替换被切断的基因。如果成功，则单元格此后应修改表达式和函数。

为了将修复模板DNA递送到其遗传物质所在的细胞核，通常使用病毒。研究人员说，虽然它们很有效，但病毒工作流程“昂贵，难以扩展，并且可能对细胞有毒”。

非病毒模板可能更便宜且更具可扩展性，尽管研究人员仍然必须克服效率和毒性障碍。在他们的研究中，理查森实验室发现，将链间交联引入工作流程会显着增加同源性导向的修复。

“我们采用这种方法的每个工作流程都比效果好了大约三倍，”理查森说。

链间交联是使DNA螺旋的双链相互拴在一起的病变，使它们无法复制。癌症化学疗法使用这种机制来中断肿瘤生长并杀死癌细胞。然而，添加到同源定向修复模板中，发现这些交联可以刺激细胞的自然修复机制并增加编辑成功的可能性。

“基本上，我们所做的就是获取这个模板DNA并破坏它，”理查森说。“事实上，我们已经以我能想到的最严重的方式损坏了它。牢房不会说，'嘿，这是垃圾;让我把它扔掉。细胞实际上说的是，'嘿，这看起来很棒;让我把它贴进我的基因组里。其结果是一个高效且最不容易出错的非病毒基因编辑系统。

他们的发现，就像许多科学突破一样，实际上是一个令人高兴的意外。在致力于纯化蛋白质以研究DNA修复时，研究生研究员和主要作者Hannah Ghasemi注意到他们的实验结果发生了意想不到的变化。

“我们正在将这些化学修饰引入DNA模板，以便能够将它们从细胞中拉出来，看看哪些蛋白质与它们结合，我只是在检查这种修饰是否以某种方式影响了编辑，”她说。“我原本以为要么看不到任何变化，要么实际上可能会对编辑产生负面影响。

相反，她发现的是积极的影响，高达未交联对照的编辑活动的三倍。此外，研究小组发现，即使编辑次数增加，因此出错的机会增加，突变频率也没有增加。他们仍在研究导致这一结果的具体机制，但他们有想法。

“我们认为发生的事情是细胞检测到并试图修复我们添加这种交联的受损DNA，”理查森说。“在这样做的过程中，它会延迟细胞通过一个检查点，在那里它通常会停止这种重组过程。因此，通过延长细胞进行这种重组所需的时间，它使编辑更有可能完成。他说，研究这一新过程还可以更好地了解细胞如何检测编辑试剂以及它们如何“决定”接受或不接受它们。

根据该团队的说法，这种方法将在离体基因编辑应用中得到最多的应用;也就是说，在疾病研究和临床前工作领域。

“我们可以更有效地敲除基因并将东西插入基因组，以便在实验室环境中研究人体以外的系统，”Ghasemi说。这一发展使他们能够更有效地建立疾病模型并测试有关疾病如何工作的假设，从而产生更好的临床和治疗方法。