利用最先进的技术，研究人员已确定CRISPR激活并执行基因编辑功能所需的几个具体步骤。这些临床前发现可能导致CRISPR基础基因编辑的改进设计。
CRISPR/Cas9是一种基因编辑工具，已经彻底改变了生物医学研究，并导致了首个获得FDA批准的基于CRISPR的基因治疗。然而，直到现在，这种工具是如何工作的以及如何避免产生有害的脱靶效应的精确机制仍不太清楚。目前，利用最先进的技术，费城儿童医院（CHOP）的研究人员已确定CRISPR激活并执行基因编辑功能所需的几个具体步骤。这些临床前发现可能导致CRISPR基础基因编辑的改进设计。这些发现今天发表在期刊《细胞化学生物学》上。
基因编辑允许在一个人的基因组上添加、移除或以其他方式更改遗传物质。在医疗保健中，它具有纠正形成许多罕见和复杂疾病基础的突变基因的巨大潜力。然而，为了使基因编辑有效，它需要精确并仅在目标位置进行编辑。
自2020年以来，临床试验探索通过脂质纳米颗粒将Cas9直接输送给患者进行基因编辑，但广泛应用具有挑战性。Cas9可能在目标基因之外进行意外的基因组编辑，从而造成伤害，甚至可能使细胞癌变。因此，从患者体内提取的细胞被用于体外进行基因编辑，然后再将其送回患者。这是一个昂贵且耗时的过程，主要受到对基因编辑机制理解不完整的驱动。
“我们一直怀疑，从基因编辑过程中的现有结构中所看到的东西并没有告诉我们整个故事，” 研究的高级作者Nikolaos G. Sgourakis博士说，他是CHOP计算与基因组医学中心的副教授，也是宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院生物化学与生物物理学系的副教授。
在这项研究中，研究人员使用了一种称为核磁共振光谱法的技术来可视化原子和蛋白质及其动态，观察它们在不同状态之间的移动。这种方法使研究人员能够观察CRISPR如何从不活跃状态过渡到活跃状态，以及使其发生所需的步骤，而没有这种最先进的设备是无法实现的。
像装配线上的校对员一样，中间的“监视”结构充当门卫，调节酶的DNA切割活性。这一步对于区分与其可编程引导RNA匹配的目标和非目标DNA序列至关重要。Cas9蛋白的作用将DNA编辑引导到基因组内的精确位置。 Cas9有许多工程变体，具有更高保真度的变体倾向于识别目标DNA，并在这一过程中帮助稳定“监视”复合物，从而减少脱靶效应，确保治疗以更精确的方式进行。
理解CRISPR和Cas9操作的潜在机制可能会导致更有效的基因编辑技术形式，包括直接将疗法输送到体内的潜力，甚至可以改善其他疗法，例如CAR-T细胞疗法。
“当我们可以确保它能正确执行其工作的情况下，以脂质纳米颗粒形式直接输送预编程的Cas9复合物到患者的目标细胞中要容易得多，” Sgourakis说道。“例如，使用CRISPR技术进行的精确基因编辑可以直接修改患者的T细胞，这将使我们能够简化CAR-T和其他细胞治疗的适应。”
本研究的核磁共振光谱法是在宾夕法尼亚大学结构生物学研究所进行的，使用来自宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院和CHOP的共享仪器。
这项研究得到了国家卫生研究院过敏与传染病研究所的资助（NIH R01AI143997）、癌症重大挑战合作伙伴关系下的NexTGen团队、癌症研究英国的资助（CGCAT F-2021/100002）、国家癌症研究所的资助（CA 278687-01）以及马克癌症研究基金会的支持。此外，NIH NIGMS的资助（R35GM125034和3R35GM125034-05S）、NIH资助（GM136859）以及克劳迪亚·亚当斯·巴尔创新癌症研究项目提供了进一步的资助。
