打造基因編輯的「剎車系統」

基因編輯技術有望用於治療一些遺傳性疾病和疑難病，因而被人們寄予厚望。但脫靶問題始終困擾著科學家們，這個問題不解決，基因編輯就難以安全進行。哈爾濱工業大學黃志偉團隊所進行的研究，因推動了這一問題的解決而受到國內外學者的廣泛關注。

「魔剪」CRISPR-Cas9

基因是承載著遺傳信息的DNA（脫氧核糖核酸）片斷，支撐並決定生命體的運行。提到基因科技，恐怕大多數人並不陌生，在好萊塢大片中，基因變異的橋段屢見不鮮，漫威旗下的超級英雄好多都是基因變異產生的。例如，大名鼎鼎的《X戰警》、《美國隊長》、《綠巨人》、《蜘蛛俠》、《神奇四俠》、《月光騎士》等等，都是基因變異的超級英雄。然而，在現實生活當中，因為基因變異獲得超能力的人群是少見或根本上是虛幻的；相反，我們身邊確切存在的卻是因為基因變異而導致機體功能缺陷的各種病人。

CRISPR-Cas系統是細菌編碼的用來保護自己免受噬菌體感染的適應性免疫系統，它可以剪切入侵病毒的DNA或者RNA，從而防禦病毒感染。由於CRISPR-Cas系統與sgRNA（導向核糖核酸）的組合具備高效、便捷「編輯」目的DNA的能力，CRISPR II-A亞型系統之一的鏈球菌Cas9系統即CRISPR/Cas9系統已經成為目前最重要、最廣泛使用的基因編輯工具，被學界視為「魔剪」，受到以諾貝爾獎獲得者克里格·梅洛為代表的世界各國科學家的追捧與青睞。

如今，CRISPR/Cas9技術可完成對基因定點突變、敲入、多位點同時突變和小片段的刪除，並已成功應用於人類細胞、斑馬魚、小鼠以及細菌的基因組精確修飾。採用CRISPR-Cas9基因編輯技術能迅速地對細胞中的基因加以改造，由此治療一些遺傳性疾病，甚至可望攻克艾滋病等現在無法治癒的疾病。此外，這一技術還可用於糾正體外受精胚胎的基因缺陷，進而創造新的健康生命。應該說，CRISPR-Cas9基因編輯技術將會是人類醫療健康事業的一大「利器」，因此被生物學家們寄予了厚望。

「脫靶問題」埋隱患

中國和美國都已經開始了健康領域的相關臨床試驗，這標誌著CRISPR-Cas9逐漸走出了實驗室，進入市場應用前的最後階段。很多人相信，基因編輯很快就能在臨床中開花結果。然而事實上，CRISPR-Cas9基因編輯技術依舊潛伏不小的隱患，其中最大的問題就是脫靶效應。這是因為基因編輯一旦開始就無法中斷，只能等待整個過程自然結束，就好像一輛汽車只有油門卻沒有剎車，使車輛處於失控的狀態。而在修復了錯誤基因後，細胞里的基因編輯工具很可能會繼續修改本來正常的基因。

因此，科學家一直希望在基因編輯的工具箱里加上一套「剎車裝置」。美國布羅德研究所的生物科學家戴恩·黑澤貝克曾表示，利用Cas9進行基因片段切割非常容易，但重要的是落實在「控制」上，「如果把Cas9比作一位外科醫生，他擅長的是闌尾炎切除術，此時只想切除闌尾，而不損傷旁邊的膽囊，就需要能在手術剪刀剪向其他重要器官之前，狠狠拽開拿著剪刀的雙手。」

對此，我們團隊也一直在努力。經過努力我們揭示了Anti-CRISPR（抑制CRISPR系統的蛋白）抑制SpyCas9活性的分子機制。在該項機制原理的基礎上，人類有望在基因醫療領域開發各種各樣調控基因的產品，而不會讓基因在沒有「制動裝置」下失控，從而實現可「剎車」的基因編輯。2017年4月，這項研究成果在《自然》雜誌在線發表，引起了國內外同行的關注，還被評為2017年度中國十大醫學科技新聞。

微觀世界的「鳩佔鵲巢」

此前，科學家雖然發現了可以減少脫靶效應的基因 Anti-CRISPR，但其中的「抑制機理」卻一直未被揭開。我們團隊的研究靈感源於細菌與噬菌體之間的生存共進化關係，為了抵禦細菌的CRISPR-Cas9免疫系統，噬菌體編碼一種僅由84多個氨基酸殘基組成的小蛋白（AcrIIA4）。那麼這麼小的蛋白是如何破壞CRISPR-Cas9免疫系統的呢？由此深入研究發現，這個蛋白能夠有效阻止SpyCas9-sgRNA識別並抓取靶基因，讓其無法與靶基因結合。「這就好像在插線板上插入一個塑料保護套，就無法連上插頭一樣。」

為了進一步弄清AcrIIA4蛋白是如何影響靶基因的識別問題，課題組首先通過基因工程的手段克隆並表達出SpyCas9-sgRNA-AcrIIA4複合物，然後進行結晶，再利用X-射線晶體衍射學的知識解析該複合體的三維結構。就好像人們生活中的拍照一樣，通過結構生物學的知識，即可以很容易地「鎖定」這一複合體的樣子。經過結構解析，我們清楚地看到AcrIIA4蛋白恰好結合在靶基因的識別位點，競爭性地阻止了靶基因結合。有趣的是，這個小蛋白非常聰明地利用自身的一些酸性氨基酸殘基結合，並封閉SpyCas9用來抓取靶基因的氨基酸殘基，完美地演繹了「鳩佔鵲巢」。

中國科學院上海生化與細胞生物學研究所李勁松評價我們的研究成果時說：Cas9基因編輯技術的可控性、專一性、安全性一直受到相關學術領域的巨大關注。這項研究從系統安全性的角度，為設計控制、抑制SpyCas9基因編輯系統活性的工具奠定了結構基礎，也為CRISPR-Cas9基因編輯系統的主要安全性能提供了可能的解決方案。

（文/哈爾濱工業大學生命科學與技術學院教授 黃志偉 本報記者衣曉峰 通訊員朱玉威整理）

編輯製作：劉洋

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