使用 CRISPR 基因编辑技术对 DNA 进行编辑时常被喻为用剪刀对新闻稿进行剪贴。然而，剪贴词句相对容易，删除单个字符或者立即了解剪贴对文字意思的影响却十分困难。科学家们希望能够运用 CRISPR 技术将 DNA 中致病的基因变异切除，并替换成正常的 DNA 序列。为了达成这一目标，CRISPR 技术的精确性仍然需要得到提高。

 

 

▲CRISPR 技术常被喻为“基因剪刀”（图片来源：123RF.com）

 

日前，由斯坦福大学 (Stanford University) 和美国国家标准与技术研究院 (NIST) 联合构建的生物计量学联合倡议 (JIMB) 组织的研究人员开发出一种名为 MAGESTIC 的下一代 CRISPR 技术平台。这一平台将 CRISPR 技术从粗糙的剪贴工具，变为高级的文字处理器，利用类似“查询”与“替换”的功能对遗传物质进行精确编辑。这一成果发表在《Nature Biotechnology》上。

 

使用 CRISPR 技术对基因组进行编辑需要精确完成以下几个步骤：1. 在细胞 DNA 的特定位点进行剪切；2. 在切开的位点准确引入需要加入基因组的序列；3. 准确观察到基因编辑产生的后果。目前的 CRISPR 技术使用指导 RNA(guide RNA，gRNA) 引导对 DNA 序列的精确剪切，供体 DNA(donor DNA) 帮助将需要加入特定位点的 DNA 序列引入基因组。

 

目前，gRNA 能够引导对基因组中特定位点的精确剪切，但是下一步的 DNA 修补过程往往不够精确，很多时候修补过程会引入随机突变，而人工表达的供体 DNA 序列不能有效地整合到基因组中，这导致大量细胞在基因编辑过程中死亡。对于细胞来说，让 DNA 修复机制在包含上百万到上亿个碱基对的 DNA 序列中找到合适的供体 DNA 是一件很有挑战性的工作。MAGESTIC 平台在这方面的进步是使用了名为“主动供体募集（active donor recruitment）”的手段，将人工合成的供体 DNA 片段募集到剪切位点的周围。这一募集手段让细胞存活率提高了七倍！

 

 

▲MAGESTIC 平台以新的方式使用细胞条形码，为 CRISPR 基因编辑增加了新的精度级别（图片来源：Kelly Irvine/NIST）

 

MAGESTIC 与以往高通量 CRISPR 基因编辑技术的另一个显著区别在于，细胞条形码的设计。过去，研究人员通常用质粒 (plasmid) 来表达 gRNA，并存储条形码序列以追踪细胞的突变，这些质粒 DNA 会随着细胞的生长和分裂进行复制，并传递到下一代细胞中。但是，每个细胞中质粒 DNA 的数量可以从 10 个到 40 个不等，这会导致条形码的数量无法用来精确检测细胞的数目。新的 MAGESTIC 技术平台能将条形码整合到细胞的染色体中，这一改进让条形码的数目变得稳定，使它们可以更精确地预测细胞的数量。

 

虽然在过去 20 年里，对 DNA 的测序和编辑技术出现了大幅度的进展，但是科学家们对基因组中存在的自然变异的功能和它们对疾病的影响仍然缺乏了解。MAGESTIC 可以通过精确地编辑每一个自然发生的基因变异，并且把它们和其它基因变异进行比较来增进对自然变异的理解。MAGESTIC 的另一个优势是能够在一个试管里对上百万个细胞进行高通量基因编辑，而过去的技术平台需要不同实验来对每个基因变异进行编辑。

 

“现有的技术进步让我们不但能够对基因组的每个碱基对进行测序，而且能够对它们进行修改。但是我们仍然需要更好地理解修改的后果，”这篇论文的资深作者、斯坦福大学遗传学教授 Lars Steinmetz 博士说：“MAGESTIC 平台好比让我们在基因组这本书中对单个字符进行修改，然后观察这种修改对文字意思的影响。而我们的供体募集手段让需要添加的新信息被精确放置到剪切出现的那一页中。”

 

参考资料：

 

[1] Taking CRISPR from clipping scissors to word processor

 

[2] Multiplexed precision genome editing with trackable genomic barcodes in yeast