一种更为精确的基因组编辑方法

来自首尔大学的研究人员近日在《Genome Research》上介绍了一种精确的基因组改造方法，只在靶位点实现位点特异的基因组修饰，而不会引入不想要的插入缺失。这种方法使用的是锌指切口酶（nickase），而不是通常所说的锌指核酸酶。

目前，基因治疗领域还存在许多挑战，从导入到预防免疫反应。然而，最基本的挑战在于，如何用新链来取代现有的DNA链，即定向突变。锌指核酸酶是基因组改造的强大工具，但它依赖DNA双链断裂的非同源末端连接修复（NHEJ），此过程容易出错，在靶位点和脱靶（off-target）位点随机产生小的插入或缺失（indel）。

韩国首尔大学的Jin-Soo Kim解释道：“基因组中通常有许多潜在的脱靶位点，因为人类基因天生是重复的。如果您意外在那些脱靶位点引入突变，则可能导致癌症或疾病，因此那些脱靶突变值得关注。”

于是，Kim和他的同事开发出了切口酶，这是一种每次切开单链DNA，引入新遗传物质的酶。由于切口酶只切割单链，而不是像标准核酸酶那样切割双链，故不想要的切口可由细胞内部的单链断裂修复机制快速修复。

研究小组利用Fok1核酸结构域开发出切口酶，但经过修饰，让它只引起单链断裂。他们将其放入人胚肾细胞，来检验切口酶的活性。如果它成功将新的DNA整合到细胞，则细胞会表达萤光素酶基因。

尽管其他研究小组最近也开发出自己的切口酶，但Kim的实验室是第一个研究切口酶对脱靶突变的作用。Kim表示：“我们的数据清晰表明，使用这种方法检测不到脱靶突变。”

他们也发现了切口酶的缺点，即在靶位点上的效率略低于核酸酶。这可能是由于单链DNA断裂引发的同源重组的效率低于双链DNA断裂引发的同源重组。他们认为，用户应仔细评估切口酶和核酸酶在特定应用上的优势和劣势。  

由于核酸酶介导的同源重组更加高效，故核酸酶仍然是传统基因knockout和knockin实验的理想工具。对于干细胞研究和基因治疗等比较关心脱靶突变的应用，切口酶带来的精确基因组编辑可能更理想。

研究小组计划下一步研究单链断裂修复中关键基因的作用，以便提高切口酶的效率。Kim认为：“核酸酶已经存在了几十年，并经过优化。切口酶才出现了几个月，因此我们仍需要时间来提高效率。”