“CRISPR”当道，如何提高基因编辑效率和一致性

11月28日《PNAS》杂志报道了约翰霍普金斯大学科学家开发的新DNA序列编辑法则。

（通过CRISPR切割引入编码荧光蛋白的PCR片段，同源臂长度只需33个核苷酸）

“作为一个已被广泛使用的基因修改工具，CRISPR本身只会造就基因组断裂，它并不能控制一段新DNA序列如何插入基因组，”约翰霍普金斯大学医学院负责本院基础科研相关工作的副院长Geraldine Seydoux博士说。“于是，我们想了解细胞修复DNA断裂损伤的天然机理，利用这种机制，在CRISPR处理后更高效地为基因组引入新序列。”

“我们惊讶地发现，只要外源DNA是线性的，细胞就非常乐意复制这条外源序列来修复自己的DNA断裂，”Seydoux补充道。“通过反复研究外源DNA片段的复制过程，我们提出了一些简单而有效的法则，显著改善了CRISPR的编辑效果。”

本质上，CRISPR是一把分子剪刀。科学家们普遍认为，CRISPR剪切后，细胞通过插入一组随机核苷酸来修复DNA断裂，通常来讲，DNA发生断裂的基因就这样被破坏了。

细胞有时也会使用来自供体的DNA修复断裂，但这些新供体序列自己不能主动插入基因组的切口。它们需要在“同源臂（homology arms）”的帮助下让两个末端与基因组上切口两端的序列连接。同源臂的DNA序列需要与其插入的DNA切口两端的遗传密码完全匹配。

尽管如此，科学家们认为这种依靠供体DNA序列的基因组修复方法十分低效。如果插入片段很长，它可能需要较长的同源臂，制备起来就很困难。

划重点

为了解决这些问题，约翰霍普金斯的科学家们尝试向人类胚胎肾细胞中注入各种各样的供体DNA组合。它们发现，线性DNA片段供体的工作效率最高，是环状DNA（质粒）的2到5倍。“线性DNA我们用PCR就能生产，”助理研究员Alexandre Paix说。

他们还测试了不同长度的同源臂，发现约35个核苷酸的效果最好，这实际上比科学界普遍采用的同源序列长度要短得多。

具体来说，实验证明由33到38个核苷酸组成的同源臂与由518个核苷酸组成的同源臂成功率相当：最优编辑条件下的成功率约10-20%。

相反，采用15-16个核苷酸长度的同源臂时，成功率下降了一半。研究人员在基因组的三个不同位置检测，都得到一致的结果。

他们还发现，插入序列的长度（不包括同源臂）最高可容纳1000个核苷酸。1000以下的成功率大约为10-50%，超过1000（例如1122和2229个核苷酸）成功率下降至0.5%。“细胞一次性可能处理不过来这么多的DNA，”Seydoux说。

文章建议，在CRISPR剪切位点附近30个核苷酸以内插入，这样编辑的成功率最高。他们表示，这些参数应该适用于目前正在被研究的绝大多数基因。

最后，他们还在小鼠胚胎中测试了这些“法则”的效果。利用带有36个核苷酸同源臂的PCR片段，该小组成功地将一个长度为739的荧光蛋白编码基因插入了87只小鼠胚胎中的27只，成功率达到了31%。