作者：奇點糕發(fā)布日期：2018-08-07

　　從2013年張鋒[1]和George Church[2]第一次使用CRISPR-Cas9編輯人體細胞算起，這項技術在人體細胞中的使用已經走過5個年頭。

　　雖然CRISPR被科學家使用的很溜，并已經走到臨床試驗階段；但我們對Cas9的切割原理和切割后細胞修復機制的了解還比較少，甚至可以說它們還是個黑盒子。

　　前不久，上海交通大學吳強教授課題組在Molecular Cell上發(fā)表了一篇文章，他們發(fā)現Cas9切割DNA雙鏈可以產生突出末端，而不僅僅是平頭末端，這顛覆了我們對Cas9切割的認知[3]。

　　近日，加州大學伯克利分校的Jacob Corn團隊在Cas9切割后的修復機制上也取得了顛覆認知的重大突破。

　　總的來說，Corn團隊這次解決了一個長期困擾科學家的問題：用CRISPR-Cas9切斷細胞的DNA之后，細胞究竟是如何選擇用哪種方式修補斷裂的缺口的？

　　更重要的是，他們的這個發(fā)現甚至可以讓科學家以后根據自己的需求，操縱細胞的修復方式，讓細胞基因組DNA在被Cas9切斷后，按照需求去修復缺口。正真實現精準切割，精準修補。

　　這對很多需要做基因修復的遺傳疾病而言，無疑是個好消息。上周四，Corn團隊的這一重要研究成果發(fā)表在《自然遺傳學》上[4]。

　　CRISPR-Cas9只是上帝的手術刀，修復還是得靠細胞

　　一直以來，我們都形象地把CRISPR-Cas9叫做“上帝的手術刀”，而不把它叫做“上帝的針線包”，主要是因為Cas9只負責精準的切斷DNA，修復的任務要交給細胞自身。

　　通常情況下，CRISPR-Cas9切斷DNA形成的雙鏈斷裂后，細胞會很快啟動緊急修復機制。其中最主要的兩條是：非同源末端連接和同源重組。

　　其中非同源末端連接修復機制被科學家用的最多，效率也最高。它就是不管三七二十一，盡快把斷裂的DNA連接起來，維持DNA的穩(wěn)定。這種修復方式絕大部分情況下會在切割位點產生隨機插入或缺失，直接導致基因功能喪失。

　　無論如何，對細胞而言，損失一個基因，比掛了肯定好多了。這種修復方式其實也是細胞的最常見修復方式。鑒于這種修復方式的特點，它被廣泛用于基因功能的研究。

　　而同源重組修復機制，則是在有同源供體DNA序列的配合下，用一段正確的基因序列替換原本錯誤的基因序列[5]。也就是我們常說的：哪里壞了，換哪里。科學家和醫(yī)生治療基因變異導致的疾病，依賴的就是這種修復方式[6]。

　　目前，同源重組修復過程中使用的外源DNA模版有兩種：一種是雙鏈DNA，另一種是單鏈DNA模版修復（SSTR）。

CRISPR/Cas9切斷DNA之后的可能修復機制

　　不過，大量的研究表明，把雙鏈DNA作為模版修復斷裂的DNA在絕大多數細胞類型中是非常低效的[7]。相較而言呢，以單鏈DNA為修復模版的SSTR模式在人類細胞中倒是很高效[8]，所以使用的也比較多。

　　雖然SSTR效率高，但是Corn團隊在不同的人類癌細胞系中做研究還是發(fā)現，SSTR的修復效率還是有很大的差異，從完全無效的0%，到非常高效的30%。這似乎暗示，SSTR是否能完成修復與細胞類型有一定的關聯(lián)。

　　再仔細一想呢，不同細胞類型的基因表達水平實際上是相差很大的，是不是某些特殊的DNA修復通路的打開或關閉，影響了SSTR修復的效率呢？

不同模版的修復過程

　　如果我們能發(fā)現影響SSTR修復機制的相關基因，那么在以后的臨床應用中，在編輯基因的同時，特異性的調節(jié)相關基因的表達水平。那轉化效率就可以大幅提升，治療效果也會穩(wěn)步提升啊。

　　研究人員趕緊去查查相關資料。

　　很幸運，SSTR在人體中修復的機制還鮮為人知。如果能解決這個困擾著很多科學家的問題，那么Corn團隊肯定很開心。

　　此處應該再次出現斯托帕德那句話：“再一次一無所知，從頭開始……這讓我很開心。”

　　聰明的實驗設計

　　Corn團隊的研究人員究竟有多開心我是沒辦法知道了。不過，當我看到他們解決問題的思路時，我何止是很開心，簡直是很興奮，以至于喝了5杯濃茶也沒驅散的午間睡意，瞬間消散。

　　他們首先做了一個假設：既然是DNA斷裂的修復出現了不穩(wěn)定的問題，那問題應該就處在細胞內跟DNA修復有關的基因上；如果在調控那些修復基因表達的同時，同步開展CRISPR-Cas9的剪切，和切斷后的SSTR修復，不就可以通過二者之間的相互作用找到影響SSTR的關鍵基因了　嗎！

　　于是，研究人員首先找到了2000多個跟DNA修復有關的基因。然后做了一個非常聰敏的設計。

　　他們創(chuàng)造性的使用了CRISPRi基因沉默技術[9]、CRISPR-Cas9基因編輯技術和熒光標記技術，創(chuàng)建了一個可視化的“沉默-編輯”平臺。

　　首先，他們給所有的細胞加了個藍色熒光基因，讓這些細胞發(fā)藍光。

　　所有的細胞都藍瑩瑩的，真好看~

　　然后，給這些細胞分別裝入用來沉默修復相關基因的CRISPRi基因沉默系統(tǒng)。每個細胞沉默掉一個修復相關基因，在一個有數百萬個細胞的群體中，就產生了2000個基因分別被沉默掉的細胞庫。

建庫過程

　　緊接著，研究人員就要對那個藍色熒光蛋白基因下手了。

　　他們把靶向切割藍色熒光蛋白基因的CRISPR-Cas9編輯系統(tǒng)，以及一個與藍色熒光蛋白基因有同源臂的綠色熒光蛋白基因的單鏈DNA，一起轉到上面的那個細胞庫里。

　　接下里會發(fā)生什么，你們肯定能想到把，還需要我說嗎~

　　忍不住了，我還是說下吧。

　　理想狀況下（我們只說理想狀況下），上面的細胞庫顏色會發(fā)生如下變化。有些還是藍色，意味著基因編輯失??；有一些細胞沒有顏色了，大概率意味著意味著Cas9把藍色熒光蛋白基因切斷了，然后細胞按照非同源末端連接的方式又把它隨便連上了，導致基因功能喪失了；剩下的細胞成功變綠了，這些細胞實現了SSTR修復。

　　研究人員用流式細胞儀按照顏色，給所有的細胞分分成三撥：有6.8%的細胞還保持這藍色，有67.5%的細胞不顯色了，22.8%的細胞變成了綠色。

　　加起來是97.1%，還有2.9%的細胞怎么了？這些細胞出現了理想狀況之外的情況，我們就不管它們了。

編輯后的細胞顏色分布

　　未被重視的“交通信號燈”

　　有了上面的細胞。接下來的事情就好辦了，用二代測序技術，分析分析這三個細胞群體中gRNA的水平變化，就可以知道哪些基因會影響SSTR的效率了。

　　這一分析不要緊，研究人員發(fā)現之前認為與SSTR修復有關的DNA修復基因，似乎與SSTR關系并不大。

　　讓研究人員意外的是，那些處在范科尼貧血（Fanconi anemia；FA）的通路上的基因，與SSTR關系密切。

　　范科尼貧血是瑞士兒科醫(yī)生Guido Fanconi在1927年首次報道的，它是一種罕見的常染色體隱性遺傳性血液系統(tǒng)疾病[10]。1992年報道了4個可能與FA相關的基因，到現在已經鑒定出了20多個與FA的發(fā)病有關的基因變異。

FA通路涉及超多蛋白

　　一直以來，研究人員認為，FA通路上的基因編碼的蛋白與識別和修復基因組中的鏈間交聯(lián)（ICL）有關。并不認為它與CRISPR-Cas9導致的DNA雙鏈斷裂修復有關。

　　這個發(fā)現，被研究人員視為至寶。

　　為了進一步證實FADNA修復通路上的蛋白與SSTR修復模式效率之間的關系。研究人員用CRISPRi分別穩(wěn)定地敲低了FA路徑中的FANCA，FANCD2，FANCE，FANCF，FANCL，HELQ，UBE2T，USP1和WDR48。發(fā)現SSTR修復模式效率顯著下降。

　　如果在敲低的同時，用cDNA在細胞內穩(wěn)定地表達那個敲低的蛋白，讓它們的表達恢復到野生的水平。研究人員發(fā)現，SSTR修復模式效率提升8倍，回升到正常水平。

　　這些研究表明，FA通路中的許多基因對SSTR修復模式是必需的。

　　更有意思的是，研究人員還發(fā)現FA通路只影響SSTR，它不會促進非同源末端連接?？傮w來說，在DNA被切斷之后，細胞修復DNA的首選方式是非同源末端連接，這也是為什么這種修復方式一直比例最高。

FA通路就是個紅綠燈

　　而FA通路更像個“交通信號燈”：在FA通路不活躍的時候，所有的車都朝一個方向（非同源末端連接）開；但如果FA通路很活躍，那么它就要指揮其中一部分車往另一個方向（SSTR）走。

　　原來是這樣！

　　用論文第一作者Chris Richardson的話說，就是“FA通路是維持非同源末端連接和SSTR之間平衡的”。

　　后記

　　“治療鐮狀細胞貧血，成功的機會與用正確的基因替代突變的基因效率密不可分，”Richardson這么評價自己的研究[11]，“如果你從患者那里獲得了100萬個細胞，30%-40%的替換率肯定比10%的好多了。”

　　現在看來，Richardson的愿望真的有可能實現了。

　　將來，科學家可以通過分析細胞基因的表達水平，提前預知一類細胞是否適合SSTR。如果這類細胞SSTR效率低，甚至可以考慮臨時激活FA通路。

　　無論如何，科學家掌握了Cas9切割后的這層修復機制，未來給患者換個基因啥的，那簡直是效率高多了。

　　參考資料：

　　[1]. Cong L, Ran F A, Cox D M, et al. Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems[J]. Science, 2013, 339（6121）： 819-823.

　　[2]. Mali P, Yang L, Esvelt K M, et al. RNA-Guided Human Genome Engineering via Cas9[J]. Science, 2013, 339（6121）： 823-826.

　　[3]. Shou J, Li J, Liu Y, et al. Precise and Predictable CRISPR Chromosomal Rearrangements Reveal Principles of Cas9-Mediated Nucleotide Insertion[J]. Molecular cell, 2018.

　　[4]. Richardson C D, Kazane K R, Feng S J, et al. CRISPR–Cas9 genome editing in human cells occurs via the Fanconi anemia pathway[J]. Nature Genetics, 2018: 1.

　　[5]. Sternberg S H, Doudna J A. Expanding the Biologist's Toolkit with CRISPR-Cas9.[J]. Molecular Cell, 2015, 58（4）： 568-574.

　　[6]. Cox D B, Platt R J, Zhang F, et al. Therapeutic genome editing: prospects and challenges[J]. Nature Medicine, 2015, 21（2）： 121-131.

　　[7]. Chen F, Pruettmiller S M, Huang Y, et al. High-frequency genome editing using ssDNA oligonucleotides with zinc-finger nucleases[J]. Nature Methods, 2011, 8（9）： 753-755.

　　[8]. Richardson C D, Ray G J, Dewitt M A, et al. Enhancing homology-directed genome editing by catalytically active and inactive CRISPR-Cas9 using asymmetric donor DNA[J]. Nature Biotechnology, 2016, 34（3）： 339-344.

　　[9]. Gilbert L A, Larson M H, Morsut L, et al. CRISPR-mediated modular RNA-guided regulation of transcription in eukaryotes.[J]. Cell, 2013, 154（2）： 442-451.

　　[10]. Walden H, Deans A J. The Fanconi Anemia DNA Repair Pathway: Structural and Functional Insights into a Complex Disorder[J]. Annual review of biophysics, 2014, 43（1）： 257-278.

　　[11]. http://news.berkeley.edu/2018/07/30/dna-repair-after-crispr-cutting-not-at-all-what-people-thought/

來源：奇點網