CRISPR激发了编辑基因的新技巧

科学家们通常害羞地远离奇迹这个词 - 除非他们在谈论称为CRISPR / CAS9的基因编辑工具。“你可以用CRISPR做任何事情，”有人说。其他人只是称之为惊人。

CRISPR几乎可以快速有效地操纵任何植物或动物中的任何基因。在Trispr的四年内，研究人员使用它来解决动物的遗传疾病，作战病毒，消毒蚊子，并为人类移植制备猪器官。大多数专家认为这只是一开始。CRISPR的强大可能性 - 甚至是创造“设计师婴儿”的争议概念，并消除整个物种 - 令人惊叹，有时候是可怕的。

到目前为止，世界各地的基本生物实验室都有克里姆普尔的最大影响。廉价，易于使用的基因编辑使研究人员能够以困难或不可能的方式深入研究生命的基础奥秘。发育生物学家罗伯特里德将CRISPR比较到电脑鼠标。“你可以在基因组的一个地方指出，你可以在那个地方做任何你想要的东西。”

任何东西，即，只要它涉及切割DNA。Trispr / Cas9在其原始化身中是一种归位装置（CRISPR部分），其将分子剪刀（CAS9酶）引导到DNA的靶部分。他们在一起，他们作为遗传工程巡航导弹禁用或修理基因，或在切割的地方插入新的东西。

即使通过所有遗传壮举，Carrpr / Cas9系统可以做到，“有缺点。有些东西我们想做得好，“MIT分子生物学家冯张说，第一个挥动分子剪刀的科学家之一。从2013年使用CRISPR / CAS9在人类和小鼠细胞中切割基因的最早报告中，张已经描述了使系统更加精确有效地工作的方法。

他并不孤单。过去三年的一篇论文有详细改进了编辑。更进一步的是，在内的科学家们，包括张，曾梦想着努力使Crispr的工具箱的工作价值。

将CRISPR转换为多个时隙通常以钝化的尖端技术的切削刃开始。在许多新的适应中，“死”Cas9剪刀不能剪落DNA。破碎的剪刀可能听起来无用，但科学家们已经将它们升级为染色体画家，粉碎机，基因活性刺激剂和抑制剂和一般基因组特制者。

“原来的Cas9就像一把瑞士军刀，只有一个应用程序：这是一把刀，“圣地亚哥加州大学的RNA生物学家Gene Yeo说。但尤科和其他研究人员将其他蛋白质和化学物质用螺栓固定在钝的刀片上，并将刀片转变为多功能工具。

张和同事还在探索交易对该系统的CAS9部分，这些酶可能扩大的其他酶可以扩展，科学家可以在DNA和其他分子上进行。通过扩展的工具箱，研究人员可能有能力撬开癌症和其他疾病的秘密，并回答有关生物学的新问题。

做更多

传统的CRISPR / CAS9是一件事：有针对性的剪刀。引导RNA将CAS9酶脱落至特定的DNA。Cas9然后切割DNA以禁用或修复基因。

现在，研究人员正在扩大CISPR / CAS9可以通过将切割器转换为一系列专业工具的平台来做什么。

残疾人或“死”Cas9可以在DNA的遗传指令中修复单个基础拼写错误。通过一系列步骤，螺栓固定到死Cas9的酶胞嘧啶脱氨酶将C-G DNA碱基对转化为T-A基对。

将荧光标签连接到死Cas9，研究人员可以在活细胞中定位和观察某些DNA（左）或RNA（右）。

死Cas9可以阻断RNA聚合酶从转动基因，一种称为CRISPRI（用于干扰的过程）。在Crispra（CrispRP激活）中，响应基因的蛋白质融合到死亡Cas9中。

向死Cas9融合的表观遗传改性剂蛋白将化学标签附着到DNA或组蛋白（封装DNA的蛋白质）。标签会影响基因活动，但不会改变基因的指示。

灵活的指导

许多酶可以切割DNA;第一个被发现在20世纪70年代，并有助于推出整个基因工程领域。是什么让CRISPR / CAS9特别是它的精确度。科学家可以在一个选定的地方制作手术切片，而不是更早期工具的散发方法。最近最近的基因编辑技术，如锌指核酸酶和缩略图，也可以锁定到单一的目标。但这些基因编辑难以重定向。一个想要剪掉Genome中新发现的科学家必须建立一个新的编辑。这就像必须在地图上为每种可能的目标组装一个独特的导弹。有了CRISPR / CAS9，没有必要。

CRISPR灵活性的秘诀在于其指导系统。一条短片的RNA牧羊在其DNA靶标中Cas9切割酶。“指南RNA”可以在任何地方回家，研究人员通过与DNA的含有含有DNA的含有的构建块或基部（由字母A，T，C和G表示）进行化学配对。制作一个新的导游RNA很容易;研究人员通常通过键入所需的基础序列来单独订购。

该指导系统正在将遗传工程师带到他们从未去过的地方。“随着CASPRP，在康奈尔大学说，我职业生涯中最大的挫败感是我职业生涯的最大挫败感。”康奈尔大学说，里德说。“实在太棒了。”

芦苇研究如何在蝴蝶和飞蛾翅膀上涂上图案。颜色图案是进化的基本问题之一，进化和发育生物学家一直在努力回答数十年。1994年，肖恩B. Carroll及其同事发现，在眼镜后来形成的地方的蝴蝶翅膀上打开了一个叫声的基因。基因似乎需要进行眼睛形成，但证据仅是间接的。雷德说，这就是研究人员已经被困住了20年的地方。他们没有办法操纵蝴蝶翅膀的基因，以获得更多直接证明不同基因在绘画翼模式中的作用。

随着CRISPR / CAS9，芦苇和康奈尔同事Linlin Zhang在翼开发的早期阶段切割和禁用远端基因，结果：而不是导致眼睛，远端限制它们。当CRISPR / CAS9淘汰远端时，研究人员在自然通信中报道了更多和更大的眼镜。他说，芦苇和同事们不仅仅是一个，而不是一个六种不同的蝴蝶物种。

罗克菲勒大学的洛克菲利尔大学的神经透视学家Marc Tessier-Lavigne表示，Carprprp削减基因。“Cas9酶真是多平化。它削减并重新认定并重新审议，“他说。恒定的剪辑可以导致研究人员正在编辑的基因中的不需要的突变，或者在他们从未打算接触的基因中。Tessier-Lavigne和同事们将如何驯服过量酶，并将其免于巨浪在实验室菜肴中生长的人干细胞基因。他们在5月5日自然中报道，研究人员可以在涉及早期发病的阿尔茨海默病中涉及的两种基因中的一个或两个突变。将突变的干细胞生长成脑细胞显示，增加基因的突变拷贝数量也能够增加在阿尔茨海默氏草的血液中形成斑块的淀粉样蛋白β肽的产生。该技术可以使干细胞更好地模仿人类疾病。

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控制编辑器

研究人员驯服了Cas9切割器，因此它将切成一个或两个拷贝的基因，然后停止。切割应用程序和PSEN1基因使得突变模仿人们易患早熟的阿尔茨海默病的疾病。神经元多于具有两个突变（最黑暗的棒）的异常形成斑块的肽，而不是一种突变。

虽然Tessier-Lavigne和其他人正在努力改善CRISPR / CAS9系统，但建立更好的指南RNA并增加其削减的特殊性，一些研究人员完全转向瞬间Cas9。

细致的编辑

Cas9并不完全归咎于当通过DNA梯子的两根轨道切割时导致双链断裂时造成的混乱。“细胞对双链休息的回应是哈佛大学化学生物学家大卫刘大卫刘说。用于固定DNA突发的细胞的转移方法是将切割端部粘在一起。但是缺少几个基地，或者陷入困境，他们不属于。结果是更具基因组“比编辑的破坏，”刘说，引用哈佛同事乔治教堂。

刘希望一个不会引起任何破坏性违规的基因编辑：一个可以a）在基因中转到特定部位，b）在那里改变特定的DNA碱基，无需切割DNA。该工具不存在，但在Cas9，刘和同事们看到了一个，如果他们可以调整它只是一点。

他们开始由沉闷的Cas9的尖端，有效地杀死酶。“死”Cas9仍然可以抓住导向RNA并将其乘坐到目的地，但它不能通过DNA的双股来切片。刘和同事然后附加了一份搭便车的酶，其工作是启动一系列步骤，将DNA基础C改变为T，或者G到A.研究人员必须以其他方式与系统进行修补以实现改变坚持。一旦他们制定了扭结，他们就可以在15到75％的DNA中进行永久的单一碱基变化，他们瞄准的DNA在不引入传统CRISPR编辑的方式经常发生的方式。刘和合作者在5月份报告了本质上的成就。在日本的研究人员中，一家类似的基础编辑器在日本的研究人员中报告，可能对细菌的编辑DNA和无法忍受其DNA切割的其他生物有用。

DNA碱基互换有12种可能的组合。刘使用的携带嗜血酵母酶脱氨素酶，可以制备两种渗透。刘和其他人正在向Cas9融合融合，可以做到其他10个。刘说，其他酶搭桥可以使其可以编辑单个DNA基础。这种碱基编辑器可用于固定引起遗传疾病，例如囊性纤维化或肌营养不良的单一突变。它甚至可能纠正导致继承的乳腺癌的突变。

重写得分

死Cas9已经帮助研究人员用DNA以之前的方式修补。沉闷刀片的变化可以帮助科学家解决生物学的伟大奥秘之一：相同组合的20,000个基因如何产生体内许多不同类型的细胞？

该基因组就像钢琴，旧金山加州大学的生物化学家Jonathan Weissman说。“你可以通过你击中钥匙的努力玩88次钥匙的各种不同的音乐，你混淆的钥匙和时机。”通过拨打或改变在开发期间精确时间的基因组合的活性，细胞被哄骗成为数百种不同类型的体细胞。

在过去的20年中，研究人员通过观察某些基因在不同的细胞上打开和关闭时，一直在学习该过程。基因活性由令人眼花缭乱的各种蛋白质控制，称为转录因子。当转录因子作用至少部分地通过DNA上的化学标签和包装它的组蛋白蛋白来确定。这些标签是共同称为表观遗传标记的。他们为乐团的音乐分数工作，讲述了转录因子“音乐家”，其中注意到了击中，以及玩耍的大声或轻松。到目前为止，科学家们只能听音乐。随着死去的CAS9，研究人员可以创造分子，即Weissman说，允许研究人员安排自己的音乐，从而产生将改变分数的表观遗传说明。

据称，表观遗传痕迹涉及成瘾，癌症，精神疾病，肥胖症，糖尿病和心脏病。科学家无法证明表观遗传标志真正背后的这些和其他疾病，因为它们永远无法进入一个细胞并只改变一个基因上的一个标记，看看它是否真的产生了酸笔记。

一种这样的表观遗传标记，将称为乙酰基的化学物质的附着在组蛋白中的特定氨基酸中，通常与活性基因相关。但是，没有人可以肯定会对标记负责使这些基因有责任。Duke大学的Charles Gersbach及其同事们在自然生物技术上报道，他们将死去的Cas9融合给一种能够制作该表观遗传标记的酶。当研究人员对某些基因上的表观遗传标记放置，那些基因的活性被击落，证据表明标记确实促进了基因活性。随着这种CrispRP的表观遗传编辑，研究人员最终可能能够纠正错误的标志，以恢复和谐和健康。

Weissman的实验室组是第一个将死亡Cas9变成基因活动的导体之一。研究人员发现，基因上的停放死亡Cas9足以通过阻断将DNA复制到RNA中的蛋白质来轻度降低一些基因的活性。融合沉默基因对死亡Cas9的蛋白质导致甚至更好地抑制靶向基因。研究人员在2014年举报的细胞中，他们可以将基因活性降低90％至99％，对于使用消音器（Weissman和同事呼叫Crispri，干扰）的某些基因。一种类似的工具，通过融合蛋白质，由融合或激活，激活的基因对死亡Cas9（称为Crispra，用于活化剂）来说，从而使研究人员从某些基因中曲线起到活动的活性。在一个单独的研究中，在7月出版，在国家科学院的诉讼程序中，Weissman和同事使用激活方案来寻找使抗癌细胞抗性化疗药物的新基因。

RNA革命

新的Refited Cas9不仅可以使操纵DNA更容易。他们还可以彻底改变RNA生物学。Yeo说，已经有多种用于抓住和切割RNA的分子工具。因此，为了他的目的，剪刀并不需要甚至是可取的。CRISPR / CAS9的归位能力是YEO发现的吸引力。

他开始简单，通过使用调整的CRISPR / CAS9来标记RNA看他们在牢房中进入的位置。幸运的是，2014年，在加利福尼亚大学伯克利大学的Jennifer Doudna - 2012年推出的Crispr / Cas9的研究人员之一 - 同事报告，Cas9可以锁定对信使RNA分子或MRNA（蛋白质建筑说明书的副本）锁定含有DNA）。在4月份发表的研究中，Doudna，Yeo和同事捆绑荧光蛋白在死亡Cas9的背面，并将其朝向来自各种基因的MRNA。

与发光Cas9，研究人员跟踪了活细胞中几种不同基因产生的MRNA。（以前用于在细胞中定位RNA位置的先前方法杀死了细胞。）5月，张麻省理工学院及其同事在科学报告中描述了双色RNA跟踪系统。另一组的研究人员描述了一种CRISPR RAINBOW，用于使DNA成为一种多彩多姿的辉光，也在活细胞中。研究人员在五月自然生物技术报道，该团队允许团队确定多达六个基因的位置，并了解核心染色体中的三维结构如何变化。来自UC旧金山的团队在1月份报告的核酸研究中，使用两种颜色标签的组合跟踪了多种基因。

但是，Yeo想要做的不仅仅是看RNA四处走动。他设想将各种不同的蛋白质旋转到Cas9以操纵和研究MRNA在从DNA复制并使其指令读取以制造蛋白质之间的许多步骤。更多地了解多级流程以及在细胞中的其他RNA可以帮助研究人员了解某些疾病中出现问题，也许学习如何解决问题。

张想改善CAS9，但他也会喜欢其他多功能工具。他和同事正在寻找细菌中的这种工具。

CRISPR / CAS9首先在细菌中发现作为战斗病毒的基本免疫系统（SN：12/12/15，p。 16）。它进入零点然后切碎病毒DNA。研究人员最常使用来自链球菌的Cas9切割酶Pyogences细菌。

但近一半的细菌都有Crisprp免疫系统，科学家现在知道，以及Cas9以外的许多使用酶。在细菌弗朗西亚诺维西达U112中，张某和同事发现了一种基因编辑酶，CPF1，这与Cas9不同的东西。它在某些情况下，它在某些情况下，可以使其比CAS9更适合于切割DNA的CAS9。CPF1还可以将一个长导向RNA切成多个指南，因此研究人员可能能够一次编辑几个基因。CPF1切割DNA，使DNA的一股略长于另一条线。这可以使其更容易将新基因插入DNA。

最近发现细菌leptoTrichia shahii中的酶可以用RNA修补。RNA切割酶称为C2C2，他及其同事报告了8月5日科学。像Cas9，C2C2使用导向RNA引导方式，而不是切割DNA，而不是切割RNA。

他说，张的团队正在探索其他CRISPR / CAS9式酶，这些酶可以帮助他们“更有效地或更有效地编辑或调节或与基因组进行互动”。“我们的搜索尚未完成。”

使用Crispr的新方法的爆炸尚未结束。“该领域正在推进如此迅速，”张说。“看看我们在过去三年半的时间里有多远，我认为我们在未来几年里看到的是惊人的。”

本文出现在2016年9月3日，发行科学新闻与标题，“Crispr获得了一个改造：基因编辑工具很好地完成一件事，但这只是一个开始。“