CRISPR/Cas9技术是一种新颖的精准基因编辑方法, 其原理是利用一条引导RNA(gRNA)链识别靶标基因组并介导核酸酶Cas9蛋白对目的基因进行编辑, 在基因治疗、核酸检测、基因组成像等领域有着广泛的应用。然而, 研究发现CRISPR/Cas9 技术存在一定程度的脱靶效应, 制约着其临床应用的安全性。因此可控的CRISPR/Cas9基因编辑方法可有效降低其脱靶效应, 并拓展其生物医学应用。

近来, 研究人员通过蛋白质工程或定向进化等技术, 发展了系列新型具有较高基因编辑效率同时兼具较低的脱靶效率的Cas9核酸酶, 但这些方法多涉及复杂的蛋白质分子工程, 且对不断出现的新型CRISPR/Cas9核酸酶应用普适性受限。CRISPR/Cas9 技术中使用的gRNA序列较为保守, 结构简明可预测，且各部分功能明确。同时,  RNA化学合成技术成熟、制备成本较低, 因而通过对gRNA的化学组成或结构进行改造, 提高其对目的基因的识别能力为发展可控的调控CRISPR/Cas9 基因编辑技术提供了新策略。

中国科学院化学研究所汪铭研究员课题组近期在Science Bulletin在线发表了题为“Engineering nucleic acid chemistry for precise and controllable CRISPR/Cas9 genome editing”的综述文章, 系统地总结了近期基于核酸化学修饰和分子工程设计的可控CRISPR/Cas9基因编辑研究进展, 并展望了未来的发展方向。论文的第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生蔡玮琦。

文章首先介绍了CRISPR/Cas9基因编辑技术的基本原理, 以及研究人员通过延长或缩短gRNA序列来调控其与目的基因组、Cas9蛋白的相互作用。鉴于gRNA易于化学合成的优势, 文章总结了近期通过RNA的化学修饰以及click chemistry等进一步提高gRNA稳定性和识别特异性的进展, 拓展其在活体基因编辑中的应用。

又进一步讨论和总结了合成生物学调控元件在可控CRISPR/Cas9基因编辑中的应用。如利用核酸适配体(aptamer)和支点开关(toehold)结构设计包含核糖开关的gRNA, 使之暂时失活, 通过加入与aptamer特异性结合的分子或者与toehold结合的核酸分子使Cas9 gRNA结构发生变化恢复活性, 从而实现可控的基因编辑。此类基因编辑元件还可以进一步组合成丰富的逻辑门工具, 发展成信号通路调控元件和细胞内基因表达水平检测传感器，等等。

随着对CRISPR/Cas9基因编辑技术研究的不断深入, 基于核酸化学修饰优化和调控CRISPR/Cas9技术将为降低其脱靶效应, 提高编辑的准确率, 发展新型基因治疗技术奠定基础。