Nat Commun：新模型首次揭示了CRISPR-Cas9的DNA切割行为

2022年3月28日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自荷兰代尔夫特理工大学的研究人员提出了一种基于物理的模型，它建立了一个关于CRISPR-Cas9基因编辑如何运作的定量框架，并允许他们预测在哪里、以何种概率以及为何会发生靶向错误，即脱靶。这项研究使我们首次对当今最重要的基因编辑平台背后的机制有了详细的物理了解。相关研究结果于2022年3月15日发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“A kinetic model predicts SpCas9 activity, improves off-target classification, and reveals the physical basis of targeting fidelity”。

CRISPR-Cas9蛋白的发现极大地简化了基因编辑，并带来了找到治愈许多遗传性疾病的希望。然而，在人类治疗中常规和安全地使用这种技术需要极端的精确性和对任何脱靶效应的可预测性。在论文通讯作者、代尔夫特理工大学生物纳米科学系的Martin Depken博士的领导下，这些作者如今展示了一种新的、基于物理的模型，该模型大大改进了现有的关于预测切割DNA的可能位置和可以预测这种情况发生概率的模型。

基于物理的方法来理解Cas9基因编辑

目前用于基因编辑的生物信息学模型的一个很大的局限性在于它们是二元性质的：它们将基因组上的靶标归类为可能被切割或不可能被切割。这些模型只关注非常高概率的靶向错误（脱靶），而会错过许多较低概率的靶向错误，这些较低概率的靶向错误加起来可能构成基因组中的大多数编辑错误。如今，这些作者构建出的这种新的物理模型同时考虑到了高概率和低概率的脱靶；它可以被用来对任何Cas9变体进行物理描述，并预测任何DNA位点发生切割的概率。

反应方案和模型假设的意义。图片来自Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-28994-2。

Depken解释了他的实验室开发的这种基于物理学的新方法。“在基因编辑中，你希望最大限度地提高在预定位点进行切割的概率，同时尽量减少基因组其他位点的切割数量。因此，从概率的角度来理解切割是至关重要的。从单分子物理学的实验和结构数据中，我们构建出一种可以做到这一点的模型。我们改变了描述基因编辑的方式，从二元选择到完整的概率图。”

提高基因编辑的准确性

通过对为何会发生脱靶提供新的物理见解，这项研究也标志着朝着以更合理的方式设计新的基因编辑平台以及对现有平台进行表征、评估和比较迈出了重要的下一步。通过他们对基因编辑的概率描述，他们还希望通过考虑所有可能的脱靶，帮助改善对基因组编辑的风险评估。

Depken说，“我们如今利用我们的新模型对Cas9进行了基准测试。我们的下一步目标是利用其他高精度的基因编辑平台做同样的事情，以了解它们如何不同以及为何不同。我们希望借此揭示出通往开发更高精度的基因编辑的道路。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Behrouz Eslami-Mossallam et al. A kinetic model predicts SpCas9 activity, improves off-target classification, and reveals the physical basis of targeting fidelity. Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-28994-2.