CRISPR/Cas9是一种基因编辑工具，它彻底改变了生物医学研究，并催生了首个获得FDA批准的基于CRISPR的基因疗法。然而，到目前为止，人们还未充分了解该工具的确切工作机制以及如何避免产生有害的脱靶效应。

现在，费城儿童医院(CHOP)的研究人员利用最先进的技术确定了CRISPR激活并发挥其基因编辑功能所需的几个具体步骤。这些临床前发现可能会改进基于CRISPR的基因编辑设计。该研究结果今天发表在《细胞化学生物学》杂志上。

基因编辑允许在人的基因组中添加、移除或以其他方式改变遗传物质。在医疗保健领域，它具有“纠正”突变基因的巨大潜力，这些基因是许多罕见和复杂疾病的基础。然而，为了使基因编辑有效，它需要精确并且只编辑预定目标。

虽然自2020年以来，临床试验一直在探索通过脂质纳米颗粒将Cas9直接递送至患者体内进行基因编辑，但广泛​​应用仍具有挑战性。Cas9有可能在目标基因之外进行非预期的基因组编辑，这可能是有害的，甚至可能导致细胞癌变。

因此，从患者体内取出的细胞在体外进行基因编辑，然后再送回患者体内。这是一个昂贵且耗时的过程，原因是人们对基因编辑机制的理解还不够全面。

“我们一直怀疑，从基因编辑过程的现有结构中看到的内容并没有告诉我们全部情况，”资深研究作者、费城儿童医院计算和基因组医学中心副教授、宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院生物化学和生物物理系副教授NikolaosG.Sgourakis博士说。

在这项研究中，研究人员使用了一种称为核磁共振波谱的技术来可视化原子和蛋白质及其动态，以观察它们如何在不同状态之间移动。这种方法使研究人员能够观察CRISPR从非活性状态转变为活性状态的过程以及实现这一过程所需的步骤，如果没有这种最先进的设备，这是不可能实现的。

中间“监视”结构就像装配线内的校对员一样，充当着守门人的角色，调节酶的DNA切割活性。这一步骤是Cas9蛋白区分脱靶和靶向DNA序列的关键，Cas9蛋白与其可编程向导RNA(一种将DNA编辑引导到基因组中精确位置的短序列)相匹配。

Cas9有许多工程变体，保真度更高的变体有利于识别目标DNA，并有助于在识别过程中稳定“监视”复合体，从而减少脱靶效应并确保以更精确的方式进行治疗。

了解CRISPR和Cas9运作的根本机制可以带来更有效的基因编辑技术，包括将治疗方法直接输送到体内的潜力，甚至可以改善其他疗法，如CAR-T细胞疗法。

“当我们确信它能正确发挥作用时，以脂质纳米颗粒的形式递送预编程的Cas9复合物以直接编辑患者体内的靶细胞要容易得多，”Sgourakis说。“例如，使用CRISPR技术进行精确的基因编辑可用于直接修改患者的T细胞，这将使我们能够简化CAR-T和其他细胞疗法的适应性。”

本研究的核磁共振波谱是在宾夕法尼亚大学结构生物学研究所进行的，使用宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院和CHOP共享的仪器。