由大阪大学领导的研究人员开发了一种新的基因修饰技术，称为NICER，可以显着减少DNA中的脱靶突变
基因编辑技术CRISPR/Cas9使研究人员能够对生物体的DNA进行精确而有效的改变，以修复导致遗传疾病的突变。然而，CRISPR/Cas9方法也可能导致意想不到的DNA突变，这可能会产生负面影响。最近，日本的研究人员开发了一种新的基因编辑技术，它与CRISPR/Cas9一样有效，同时显著减少了这些意想不到的突变。
在《自然通讯》(Nature Communications)上发表的一项新研究中，大阪大学(Osaka University)领导的研究人员介绍了一种名为NICER的新技术，该技术基于一种名为nickase的酶在单个DNA链上产生多个小切口。
传统的CRISPR/Cas9编辑使用被称为引导rna的小块遗传密码和一种被称为Cas9的酶。引导rna靶向DNA的特定部分，Cas9酶在该位置启动双链DNA结构的断裂。这种双链断裂是启动DNA变化的关键。然而，双链断裂的细胞修复可能导致意想不到的DNA突变，以及外源DNA与人类基因组的整合，这引发了对CRISPR/Cas9技术临床应用的安全性担忧。为了尽量减少这些意外突变，大阪大学领导的研究小组研究了Cas9缺口酶的使用，Cas9缺口酶在DNA中产生单链断裂或“缺口”，通常在不引起突变的情况下进行修复。
“基因组中的每条染色体都有一个‘同源’副本，”该研究的主要作者Akiko Tomita说。“使用NICER技术，杂合突变——突变出现在一条染色体上，而不是其同源副本上——使用未突变的同源染色体作为模板进行修复。”
在最初的实验中，研究小组使用了TK1基因中已知杂合突变的人类淋巴母细胞。当用nickase处理这些细胞以诱导TK1区域的单次切割时，TK1活性以低速率恢复。然而，当缺口酶在两个同源染色体上的该区域诱导多个缺口时，通过激活细胞修复机制，基因校正效率提高了约17倍。
“进一步的基因组分析表明，NICER技术很少引起脱靶突变，”资深作者Shinichiro Nakada说。“我们也很高兴地发现，NICER能够恢复涉及复合杂合突变的遗传疾病的细胞中致病基因的表达。”
由于NICER方法不涉及DNA双链断裂或使用外源DNA，因此该技术似乎是传统CRISPR/Cas9方法的安全替代方案。NICER可能代表了一种治疗由杂合突变引起的遗传疾病的新方法。
图1
传统基因组编辑方法导致的脱靶突变。由于DNA双链断裂修复的致突变性，即使基因突变被成功纠正，在与CRISPR/Cas9的原始靶标不同的区域发生脱靶突变的风险也会增加。
来源:S. Nakada
图2
使用Cas9突变体nickase进行基因组编辑。缺口酶诱导单链断裂，而不是DNA双链断裂。刻痕通常在不引起突变的情况下修复。因此，即使缺口出现在与缺口酶的原始靶点不同的位置，在这些位置也很少看到新的基因突变。这种方法允许以最小的脱靶突变进行精确的基因校正。
来源:S. Nakada
图3
NICER基因编辑方法示意图。在突变位点附近形成一个缺口(并且是突变等位基因所独有的)。仅仅在靠近突变的地方引入一个缺口，就会在同源染色体之间引发同源重组，但速度非常低。然而，当两个等位基因都有一个或两个额外的缺口时，通过同源间同源重组的基因校正效率显著提高。
来源:S. Nakada
这篇题为“诱导多个缺口促进同源间同源重组以纠正体细胞中的杂合突变”的文章将发表在《自然通讯》的DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-41048-5上。
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