数学解释了为什么Crispr-Cas9有时会切断错误的DNA

Cas9蛋白的发现简化了基因编辑，甚至可以在不久的将来消除许多遗传性疾病。使用Cas9，研究人员能够切割细胞中的DNA以纠正突变的基因，或将新的遗传物质粘贴到新开放的斑点中。最初，Crispr-Cas9系统似乎非常准确。然而，现在显而易见的是，Cas9有时也会切割与其编程靶向的序列相似的其他DNA序列。代尔夫特理工大学的科学家开发了一种数学模型，解释了为什么Cas9能够切割一些DNA序列，同时又让其他DNA序列单独存在。

Crispr-Cas9系统是一种保护细菌免受病毒侵害的防御机制。如果病毒进入细菌但不接管细胞，则防御系统会从病毒中切除一些遗传物质并将其存储在细菌自身的基因组中。内置的病毒DNA充当遗传记忆。如果同一种病毒攻击细菌(或其后代)，它会迅速识别出攻击者，并可以发出Cas9蛋白来追踪它。使用病毒RNA作为一种“备忘单”，蛋白质捕获细胞中的敌对DNA。如果发现匹配，Crispr-Cas9系统会切断病毒DNA，使威胁失效。

有害的影响

科学家最初认为Crispr-Cas9只切割一片DNA，如果它与它携带的RNA片段完全匹配。但是，现在证明这种假设是错误的。蛋白质有时会切割类似于它所寻找的材料的DNA序列，但它包含许多不同的字母。根据代尔夫特理工大学的研究员Martin Depken的说法，从进化的角度来看，削减这些略有不同的序列是非常合乎逻辑的。“病毒不断变异，因此可以拥有与Cas9所寻求的不同的基因构成，”他说。“通过切割略有不同的DNA序列，Crispr-Cas9系统可以跟踪病毒的进化并更好地保护细菌免受其敌人的攻击。”

但在这种情况下，对细菌有益的是对人类有害。如果我们想用Cas9来编辑DNA中的基因，那么除了研究人员所针对的基因外，没有任何基因被切割是必要的。摧毁其他遗传物质可能会产生可怕的后果。

实验表明，Crispr-Cas9更有可能削减某些非匹配序列。由博士领导的Martin Depken研究小组的科学家。学生Misha Klein想知道确定这种偏好的基础物理学是什么。Depken说，所有关于制造偏离RNA模板的碱基对所需的能量。

“当Cas9检查DNA序列是否匹配时，它从链的一端开始，”Depken解释说。“然后，它依次检查链的所有字母。对于每次匹配，Cas9会获得能量，而任何不匹配都会消耗能量.DNA序列包含的错误越多，它们越接近序列的开头，蛋白质越有可能不会切割。相反，它将脱离DNA并继续寻找一种更好地匹配其RNA模板的遗传物质。

更好的预测

根据Depken的说法，他的小组开发的简单数学模型预测了Cas9切割行为的现有数据令人惊讶。如果错误位于序列的末尾，则蛋白质可能已经积聚了足够的能量来克服该障碍，这增加了切割的可能性。该模型还解释了为什么Cas9在序列开始时遇到不匹配或者当两个不匹配在一起时避免切割。

当涉及切割DNA序列的可能性时，Cas9蛋白本身的物理特性也起作用。Depken和他的同事现在正在寻求将这个变量纳入他们的模型中。最终，该模型应该能够更好地预测Cas9可能产生的错误。“有时，在修复基因时可以选择切割的确切位置，我们的模型将有助于确定最适合定位的位置，”Depken说。模型提供的物理理解也有助于在编辑DNA时避免危及生命的错误。

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