对人类使用基于CRISPR的基因编辑的一大挑战是分子机制有时会改变宿主基因组的错误部分，从而导致尝试修复基因组中某个位置的基因突变可能会意外在另一个人身上制造一个危险的新突变。

但现在，德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们重新设计了一种广泛使用的基于CRISPR的基因编辑工具Cas9的关键组件，使其靶向错误DNA片段的可能性降低数千倍，同时保持同样的效率作为原始版本，使其可能更安全。今天发表在《自然》杂志上的一篇论文描述了这项工作。

“就CRISPRCas系统在基因编辑中的更广泛应用而言，这确实可以改变游戏规则，”分子生物科学教授、该研究的共同资深作者KennethJohnson说，他是分子生物学助理教授DavidTaylor。生物科学。该论文的共同第一作者是博士后JackBravo和Mu-SenLiu。

其他实验室已经重新设计了Cas9以减少脱靶相互作用，但到目前为止，所有这些版本都通过牺牲速度来提高准确性。SuperFi-Cas9被称为这个新版本，它切断脱靶位点的可能性要低4,000倍，但速度与自然发生的Cas9一样快。Bravo说，您可以将实验室生成的不同版本的Cas9视为不同型号的自动驾驶汽车。大多数模型都非常安全，但它们的最高时速为10英里。

“它们比天然存在的Cas9更安全，但要付出很大的代价：它们的运行速度非常缓慢，”Bravo说。“SuperFi-Cas9就像一辆被设计成非常安全的自动驾驶汽车，但它仍然可以全速行驶。”

到目前为止，研究人员已经证明了SuperFi-Cas9在试管中对DNA的使用。他们现在正与其他计划测试SuperFi-Cas9在活细胞中进行基因编辑的研究人员合作。他们还致力于开发更安全、更活跃的Cas9版本。

基于CRISPR的基因编辑工具改编自细菌中天然存在的系统。在自然界中，Cas9蛋白在环境中漂浮，寻找具有20个字母的非常特定序列的DNA，就像海盗地图上的X表示“在这里挖掘”。有时，当大多数字母都正确时，除了第18到20位的字母之外，Cas9仍然继续前进并深入挖掘。这被称为不匹配，它可能在基因编辑中产生灾难性的后果。

Taylor和Johnson开发了一种称为动力学引导结构测定的技术，该技术使用Sauer结构生物学实验室的低温电子显微镜拍摄Cas9在与这种不匹配的DNA相互作用时的快照。

他们惊讶地发现，当Cas9在18到20位遇到这种类型的错配时，它并没有放弃继续前进，而是具有一种手指状的结构，可以猛扑进去并抓住DNA，使其表现得好像是正确的顺序。通常，错配会使DNA有点松散。这种手指状结构使其稳定。

“这就像如果你有一把椅子，其中一条腿被折断，你只是再次用胶带把它粘在一起，”布拉沃说。“它仍然可以用作椅子，但它可能有点摇摆不定。这是一个非常肮脏的修复。”

如果没有增加DNA的稳定性，Cas9就不会采取切割DNA和进行编辑所需的其他步骤。以前没有人观察过这个额外的手指做这种稳定。

泰勒说：“这是我在一百万年里永远无法想象的事情，在我的脑海中会发生。”

基于这一见解，他们重新设计了Cas9上的额外手指，这样手指不会稳定包含错配的DNA部分，而是将手指推离DNA，从而阻止Cas9继续切割和编辑DNA的过程。结果就是SuperFi-Cas9，这种蛋白质可以像天然存在的Cas9一样容易地切割正确的目标，但切割错误目标的可能性要小得多。

其他作者还有德克萨斯大学奥斯汀分校的GraceHibshman、TylerDangerfield、KyungseokJung和RyanMcCool。

Bravo、Liu、Hibshman、Dangerfield、Johnson和Taylor是一项专利申请的发明人，该专利申请涵盖了基于这项工作的新型Cas9设计。