“基因剪刀”遇见跳跃基因 会擦出什么火花

　　演艺界宋仲基宋慧乔的分手让人直呼：只愿曾经未相遇。而生物界的相遇却往往让人感慨：相见恨晚——

　　张锋，一位“八零后”科学家，因发明最有效的基因编辑方法成名，被称为CRISPR之父。

　　芭芭拉·麦克林托克，很多人并不熟悉，但她所在的冷泉港实验室被认为是思想最活跃的科研圣地。芭芭拉是上个世纪的“零零后”（1902年出生），在她的年代，人们认为基因是“牢固锚定”的，但她却要证明基因是能够“跳动”的，她的系统性研究和对科学的坚持，最终打破了人们保守的观念，并因此获得1983年的诺贝尔奖。

　　两位科学家跨越百年的研究成果终于“相遇”。《科学》和《自然》近日接连发文介绍了两种新型CRISPR技术，均是通过利用“跳跃基因”的性质改进CRISPR技术的靶向准确性。

　　都能编辑基因，“单身”时它们这样工作

　　CRISPR/Cas9技术是CRISPR技术的全称，前面的“CRISPR”是“制导靶标”，后面的Cas9才是真正的“剪刀”。

　　在基因的世界里，“制导”一定是依赖碱基序列的，对于CRISPR来说，它只认定一种序列那就是成簇、规律间隔、短回文、重复序列。通过向导RNA识别符合要求的序列，引来Cas9蛋白对序列进行切割。

　　切割过程有着“抖音小视频”的动态特点。Cas9蛋白先与向导RNA形成复合体，Cas9蛋白会发生构象上的变化，就像一张白纸卷成一个“筒状”，更容易让DNA进出。这个柔软的复合体会在DNA里四处碰撞，如果识别错误，“红灯亮”，复合体就离开，继续下一次碰撞；如果识别正确，“绿灯亮”，开始剪切编辑的尝试。

　　Cas9蛋白开始“动剪刀”前，还需要再校验，它把双链DNA解旋，利用RNA-DNA碱基互补配对原则，进一步核对序列与RNA的互补情况。如果出现较多错配，则序列识别过程终止，从而确保Cas9在正确的目标处发挥作用。如果完成识别，那么Cas9进一步被激活，开动剪刀。

　　跳跃基因则完全不同，它不受约束，“痛恨”一切教条，与CRISPR“重复”“短回文”等教条的属性似乎完全不在一个“频道”。它可以从自己的位置上“自由出走”，单独复制或断裂下来，并为自己“编制”一个环状船，四处“游走”，遇到合适的地方，再插入另一位点。

　　芭芭拉发现它是因为它所引发的玉米形状的随意变化。她在印度彩色玉米中观察到，籽粒和叶片往往存在着许多色斑。色斑的大小、出现的早晚不定，这些变化，受到某些不稳定基因或“异变基因”之间相互调控的控制。

　　跳跃基因堪称“自由主义者”的典范，人们至今难以把握什么能激活它的跳跃。但大名鼎鼎的LINE1是一种主要的跳跃基因，《细胞》子刊刊载科学家“抓住了它的尾巴”，只有在POLY-A（多聚A）“尾巴”存在的情况下，LINE1才会启动跳跃，没有“尾巴”跳跃基因就会失活。此外，转座酶是启动转座的关键性因子，目前，人们已经掌握了通过转座酶引导和控制跳跃基因的一些方法。

　　一对天然“CP”，双方何以“互补”

　　CRISPR/Cas9基因编辑技术，现阶段面临着精确修复比例低、识别序列受限、脱靶现象等问题。根据基因“魔剪”的工作机理，可以看出单独的“制导定位”、解链剪切、互补修复理论上都是行得通的。

　　问题出在外来的干预和影响，势必会遭受系统本身的校正。“只要向导RNA设计得当、定位准确，精准删除相应的DNA片段并不难。”相关专家表示，但在替换过程中，会激活体内的DNA修复系统，这套修复系统有着较高的容错能力，有可能变成可以耐受DNA损伤的问题基因。

　　而CRISPR携带的目标基因需要靠同源重组才能结合到靶基因组中，同源重组容错率低，遵循配对原则，因此面临着修复系统“竞争”，导致整合效率低下，甚至完全被压制，造成难以想象的脱靶效应。

　　向对于CRISPR依赖的同源重组进行序列插入，转座子的“移花接木”功能更加强势。细菌中的Tn转座子，是一段含有若干抗性基因和编码转座酶基因的DNA片段。两末端重复或倒置，对应转座酶的作用位点。当结合到靶DNA上时，转座复合体识别并攻击靶序列将转座子插入到靶序列中。整个转座过程完成了基因从原始DNA被剪切之后粘贴在另一受体DNA的过程，实现了基因的“跳跃”。

　　新的研究工作，正是将关键的Cas9“剪刀”进行了改变，取而代之一种新的复合酶。据介绍，研究人员建立了一种CRISPR相关转座酶，一半是CRISPR效应蛋白Cas12k，与Cas9一脉相承，但对DNA只结合不剪切，只负责定位靶基因组，剪切替换的工作由转座酶“接手”，可以将基因片段直接插入靶位点，完全免除了对靶基因组的切割步骤。