CRISPR/Cas9基因編輯技術問世以來已經在很多領域得到廣泛的應用。利用這一技術開發的基因療法在醫療健康領域中具有巨大的應用前景。CRISPR/Cas9技術能夠對基因組在指定位點進行基因編輯，但是對這項技術的一個常見的憂慮是擔心基因編輯會在不該出現的地方發生。日前，英國巴斯大學(University of Bath)和卡迪夫大學(Cardiff University)的研究人員利用合成生物學(synthetic biology)技術開發出一種新型Cas9核酸酶。它讓CRISPR/Cas9基因編輯系統的活性受到一個低成本、豐富、無毒的氨基酸的調控，從而讓CRISPR/Cas9技術更為安全可控。這項研究發表在最新一期的《Scientific Reports》期刊上。

CRISPR/Cas9技術的重要一環是名為Cas9的核酸酶，它能夠切斷雙鏈DNA，從而介導基因編輯的產生。理想的Cas9應該在需要完成基因編輯任務時表達，在完成基因編輯任務后失活。在調控Cas9核酸酶活性的研究領域，科學家們已經獲得了重大進展，目前Cas9核酸酶的活性可以被光、溫度、以及抗生素調控，但是這些調控手段都有不同的缺陷。例如，利用抗生素調控的Cas9核酸酶通常無法完全抑制Cas9的活性，而且使用抗生素可能影響動物的微生物組，從而產生其它的副作用，并且可能導致自然界中的細菌產生對抗生素的抗性。

巴斯大學和卡迪夫大學的研究人員利用了合成生物學中基因密碼子擴展(codon expansion)技術生成了一種新型Cas9核酸酶。自然界的蛋白由20種天然氨基酸組成，而細胞的蛋白合成機制利用64種基因密碼子來完成蛋白合成過程。基因密碼自擴展技術將特定密碼子與非天然氨基酸配對，讓細胞在合成蛋白時在特定位點加入非天然氨基酸，從而賦予蛋白新的功能。

▲本研究的設計（圖片來源：《Scientific Reports》）

在這項研究中，研究人員將原本編碼中止信號的“UAG”密碼子與一種名為BOC的非天然氨基酸配對，他們同時在編碼Cas9蛋白的基因序列中引入UAG密碼子。這導致這種新型Cas9蛋白的合成時需要環境中存在BOC氨基酸，如果BOC氨基酸不存在，那么Cas9蛋白就無法合成，CRISPR/Cas9基因編輯系統就沒有活性。而在環境中加入BOC氨基酸則會導致Cas9蛋白的合成，激發基因編輯系統的活性。

利用體外細胞培養模型和轉基因小鼠模型，研究人員證明了這種新型CRISPR/Cas9基因編輯系統只在BOC非天然氨基酸存在的情況下才會表現出基因編輯活性。這種調控系統的優勢在于它可以中止Cas9蛋白的產生，從而在不需要基因編輯的情況下完全抑制Cas9核酸酶的活性。而且BOC氨基酸是一種賴氨酸的衍生物，它無毒、豐富、成本低、而且不會對環境產生不良影響。

“從生物醫藥到食品安全，基因編輯在生命科學的多個領域中具有巨大的潛力，”文章的負責人之一，卡迪夫大學的蔡羽軒博士說：“BOC提供了一種前景看好的調控基因編輯的方式。我們將繼續努力完善這一創新基因編輯系統。”

參考資料：

[1] A novel switch to control genome editing

[2] Switchable genome editing via genetic code expansion

原標題：前沿 | 提高基因編輯安全性，CRISPR系統喜迎安全閥