宾夕法尼亚州立大学领导的跨学科研究人员团队已经开发出提高CRISPR-Cas9效率的技术，CRISPR-Cas9是一种基因组编辑技术，在2020年获得了诺贝尔奖。虽然CRISPR-Cas9比其他基因编辑方法更快，更便宜，更准确，但根据宾夕法尼亚州立大学生物医学工程和生物学副教授小军“Lance”Lian的说法，该技术存在局限性 - 特别是在改善人类健康的应用中。
研究人员开发了一种更有效和更容易获得的过程，将CRISPR-Cas9系统应用于人类多能干细胞(hPSCs)，来自联邦批准的干细胞系，Lian说这可以大大推进遗传疾病的诊断和治疗。该方法于9月7日发表在《细胞报告方法》上。
CRISPR-Cas9代表簇状规则间隔的短回文重复序列和CRISPR相关蛋白9，使科学家能够靶向遗传密码的精确位置以改变DNA，从而提供了创建新的诊断工具和潜在纠正突变的机会，以治疗疾病的遗传原因。
“人类基因组是巨大的，CRISPR-Cas9使科学家有可能发现并靶向突变基因以进行研究，”Lian说。
CRISPR使用称为质粒DNA的遗传物质盘来递送引导的核糖核酸(RNA)，该核糖核酸(RNA)将Cas9酶定位在靶基因的精确位置。当DNA被定位时，Cas9与它结合并切割出来，允许其他DNA修复切割。然后，研究人员可以看到去除如何改变基因的表达。但根据Lian的说法，目前基于DNA的CRISPR方法存在递送和编辑效率问题。
“DNA CRISPR效应子的递送很低，”他说。“使用CRISPR时，只有20%到30%的靶细胞会接受基因编辑DNA。将RNA递送到细胞中可以更有效;然而，当引入常规RNA时，细胞可以将其视为病毒。他们在RNA制造蛋白质之前破坏RNA- 比如说，在几个小时内 - 并且这样做会破坏基因编辑的尝试。
为了改善结果，研究人员改变了基因组编辑工具被递送到干细胞的方式，使用修饰的RNA(modRNA)。modRNA与质粒DNA的不同之处在于，它用化学修饰的版本替换了RNA中发现的一种碱基底物，并且通过更强的结构支持来稳定它。
“发现modRNA明显比质粒DNA更有效，”Lian说。“大约90%的细胞从简单的转染中接收modRNA，因此它能够保持在原位并完成其工作。
研究人员还发现，modRNA存在的时间是理想的：足够长的时间来修饰细胞，但不会太长以至于它会导致脱靶活性。但ModRNA引入了另一个问题，据Lian说。
当modRNA Cas9成功递送到靶基因时，它会在基因组中产生双链断裂，一些细胞会试图修复。那些修复自己的人可以将修复或“突变”传递给他们的后代。这是研究人员想要更好地了解的过程，所以这些是他们想要收获和研究的细胞。Lian说，问题在于，大多数有这种断裂的细胞都将其视为基因组的主要问题，并且会自毁而不是试图修复自己。
为了减少Cas9的毒副作用并帮助编辑的细胞存活，Lian的团队引入了一种已知可以帮助细胞生长的小蛋白质。根据Lian的说法，这种添加的蛋白质抑制了细胞死亡，并将Cas9编辑效率提高了84%。
研究人员还发现，modRNA可以改善其他基因编辑技术，如碱基编辑。碱基编辑可以通过使用蛋白质来改变单个核苷酸来敲除基因或纠正基因组中的突变，而不是像CRISPR那样切割两条链。
“我们用基于质粒或基于modRNA的碱基编辑蛋白转染干细胞，”Lian说。“我们基于modRNA的方法在成功编辑基因组方面的效率是基于质粒的技术的四倍多，为68%，约为16%。
Lian认为，随着更多的基因编辑实验室提高基因编辑效率和有效性，研究人员将能够更快地更好地了解基因及其功能。
“人体有超过20，000个基因，但我们只研究了其中约10%的功能，”Lian说。“检查每个剩余基因的目的，一次一个，可能需要一生的时间。使用来自我们高效基因编辑技术的工程干细胞可以大大加快这一过程。
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