CRISPR/Cas9 基因编辑技术问世以来已经在很多领域得到广泛的应用。利用这一技术开发的基因疗法在医疗健康领域中具有巨大的应用前景。CRISPR/Cas9 技术能够对基因组在指定位点进行基因编辑，但是对这项技术的一个常见的忧虑是担心基因编辑会在不该出现的地方发生。日前，英国巴斯大学 (University of Bath) 和卡迪夫大学 (Cardiff University) 的研究人员利用合成生物学 (synthetic biology) 技术开发出一种新型 Cas9 核酸酶。它让 CRISPR/Cas9 基因编辑系统的活性受到一个低成本、丰富、无毒的氨基酸的调控，从而让 CRISPR/Cas9 技术更为安全可控。这项研究发表在最新一期的《Scientific Reports》期刊上。

CRISPR/Cas9 技术的重要一环是名为 Cas9 的核酸酶，它能够切断双链 DNA，从而介导基因编辑的产生。理想的 Cas9 应该在需要完成基因编辑任务时表达，在完成基因编辑任务后失活。在调控 Cas9 核酸酶活性的研究领域，科学家们已经获得了重大进展，目前 Cas9 核酸酶的活性可以被光、温度、以及抗生素调控，但是这些调控手段都有不同的缺陷。例如，利用抗生素调控的 Cas9 核酸酶通常无法完全抑制 Cas9 的活性，而且使用抗生素可能影响动物的微生物组，从而产生其它的副作用，并且可能导致自然界中的细菌产生对抗生素的抗性。

巴斯大学和卡迪夫大学的研究人员利用了合成生物学中基因密码子扩展 (codon expansion) 技术生成了一种新型 Cas9 核酸酶。自然界的蛋白由 20 种天然氨基酸组成，而细胞的蛋白合成机制利用 64 种基因密码子来完成蛋白合成过程。基因密码自扩展技术将特定密码子与非天然氨基酸配对，让细胞在合成蛋白时在特定位点加入非天然氨基酸，从而赋予蛋白新的功能。

▲本研究的设计（图片来源：《Scientific Reports》）

在这项研究中，研究人员将原本编码中止信号的“UAG”密码子与一种名为 BOC 的非天然氨基酸配对，他们同时在编码 Cas9 蛋白的基因序列中引入 UAG 密码子。这导致这种新型 Cas9 蛋白的合成时需要环境中存在 BOC 氨基酸，如果 BOC 氨基酸不存在，那么 Cas9 蛋白就无法合成，CRISPR/Cas9 基因编辑系统就没有活性。而在环境中加入 BOC 氨基酸则会导致 Cas9 蛋白的合成，激发基因编辑系统的活性。

利用体外细胞培养模型和转基因小鼠模型，研究人员证明了这种新型 CRISPR/Cas9 基因编辑系统只在 BOC 非天然氨基酸存在的情况下才会表现出基因编辑活性。这种调控系统的优势在于它可以中止 Cas9 蛋白的产生，从而在不需要基因编辑的情况下完全抑制 Cas9 核酸酶的活性。而且 BOC 氨基酸是一种赖氨酸的衍生物，它无毒、丰富、成本低、而且不会对环境产生不良影响。

“从生物医药到食品安全，基因编辑在生命科学的多个领域中具有巨大的潜力，”文章的负责人之一，卡迪夫大学的蔡羽轩博士说：“BOC 提供了一种前景看好的调控基因编辑的方式。我们将继续努力完善这一创新基因编辑系统。”

参考资料：

[1] A novel switch to control genome editing

[2] Switchable genome editing via genetic code expansion

本文转载自：药明康德