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Science：发现Cas蛋白寻找靶点的机制

 2017年10月6日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自瑞典乌普萨拉大学的一个研究小组发现被称为“分子剪刀（molecular scissors）”的CRISPR-Cas9如何能够在基因组中寻找特定的DNA序列。Cas9已经在生物技术领域有了很多应用，也有望给医学带来革命性的变化。这些研究发现表明如何改进Cas9使得这种分子剪刀变得更加快速和更加可靠。相关研究结果发表在2017年9月29日的Science期刊上，论文标题为“Kinetics of dCas9 target search in Escherichia coli”。

在不到十年的时间里，CRISPR-Cas9已引发生物研究变革。为了特定的目的，Cas9使得校正或修饰（“编辑”）任何DNA序列成为可能。人们希望这种分子剪刀也能够治愈和阻止遗传疾病。

Cas9的一个令人兴奋的方面是能够利用一段人工遗传密码对这种分子进行编程，这样就能够在基因组中寻找相应的序列。如今，这个研究小组发现了Cas9如何找到正确的序列。

论文通信作者Johan Elf说，“大多数寻找DNA密码的蛋白能够仅通过检测DNA双螺旋的外面来识别特定的序列。Cas9能够搜索任何一种DNA密码，但是要确定这种分子是否位于合适的位点上就必须打开DNA双螺旋，将寻找到的序列与编程的密码进行比较。令人难以置信的是，它能够搜索整个基因组，而且不需要使用任何能量。”

这些研究人员开发出两种新的方法来测量Cas9找到它的靶序列需要多长时间。第一种方法表明Cas9花6个小时的时间搜索细菌基因组（400万个碱基对）。这种有点不可能的结果也能够通过第二种独立的方法加以验证。所发现的这种时间也与Cas9用来测量每个位点花费的毫秒数（能够通过实时地追踪标记的Cas9分子加以测量）相吻合。

Elf说，“这些结果表明Cas9为它的灵活性付出的代价是时间。为了更快速地发现靶序列，需要更多的Cas9分子寻找相同的DNA序列。”

在合理的时间范围内发现正确的序列所需的高浓度Cas9能够给科学家们试图替换的细胞带来严重的问题。但是，鉴于如今这种搜索过程的性质得到理解，关于如何能够改进这种系统的一种重要的线索已被发现。通过牺牲Cas9的一部分灵活性，人们就有可能设计出仍然具有多功能性的分子剪刀，它们能够编辑多种基因，但是同时也足够快而可以在医学上使用。

Elf说，“这些研究结果给我们提供了我们如何可能实现这种解决方案的线索。关键在于PAM序列，它们决定着Cas9打开DNA双螺旋的位置和频率。不需多次打开DNA双螺旋的分子剪刀不仅更加快速地发现它们的靶序列，而且也会降低副作用产生的风险。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Daniel Lawson Jones, Prune Leroy, Cecilia Unoson et al. Kinetics of dCas9 target search in Escherichia coli. Science, 29 Sep 2017, 357(6358):1420-1424, doi:10.1126/science.aah7084