导读：CRISPR系统的进步极大地丰富了生物学家的分子研究工具。近期，Nature杂志在线设立了CRISPR专题栏目重点介绍使用CRISPR-Cas9技术取得的进展及其与细胞生物学研究的相关性。
Nature专题导读：CRISPR-Cas9最新进展及在细胞生物学研究的应用-肽度TIMEDOO
作为原核生物的适应性免疫系统的一部分，成簇的规律间隔短回文重复序列（CRISPR）和核酸内切酶Cas9进行有效基因组编辑的潜力已经不言而喻。CRISPR-Cas9系统受RNA引导并切割DNA双链，提供了一种在特定靶位点诱导缺失、插入和序列改变的强大方法。与其他定制化核酸酶（如：ZFN、TALEN）相比，gRNA（gRNA的自然形式为crRNA与tracrRNA）易于操作、更具优势。CRISPR-Cas9可以有效编辑各种细胞类型和整个生物体中的基因组，其精确性和易用性保证了在生物学研究中的广泛应用。经过持续改进，CRISPR-Cas9技术丰富了基因编辑工具的功能，例如：调节内源基因表达、调节表观遗传状态和标记基因组位点。
自从CRISPR-Cas9系统于2012年首次用于定向基因组编辑以来，科学界在提高编辑效率、准确性、扩大应用范围和目标物种方面取得了显著进步。为了重点关注CRISPR-Cas9对于基本细胞生物学问题的探索，Nature杂志通过“CRISPR专题系列”介绍其中的一些成就，专题网址https://www.nature.com/collections/igbbbjccfa收录的前两篇文章分别发布在“Perspective and Review”栏目，该页面还会引入“Nature Cell Biology”栏目并陆续更新最新发布的内容。
英国Francis Crick研究所人类胚胎和干细胞实验室的Rebecca A. Lea 和Kathy K. Niakan的论文发布于“Perspective”栏目，全面概述了迄今为止CRISPR-Cas9在人类种系基因组编辑中的应用，由于可以立即读出靶向基因破坏的功能后果，该技术特别有益于改善对人类早期发育的理解；而且可以在临床前评估CRISPR-Cas9系统纠正人类胚胎病理性突变的可行性。目前，虽然这两个领域都取得了新的进展，但是仍然存在许多挑战，例如脱靶效应或编辑后DNA大量缺失和重排。如果未能正确修复，CRISPR-Cas9介导的诱变可能导致异常发育或者促进胚胎停滞。
Lea和Niakan还考虑了CRISPR-Cas9技术的潜在临床和伦理意义。特别是，在2019年香港第二届国际人类基因组编辑峰会上，CRISPR-Cas9编辑婴儿研究的公布再次点燃了关于中止人类种系基因组编辑的争论。Lea和Niakan指出，为了保证用于临床人类胚胎基因组编辑的安全性和道德性，CRISPR-Cas9编辑必须满足一些关键先决条件。
瑞士苏黎世联邦理工学院生物系Charles D. Yeh和Jacob E. Corn 与美国加州大学圣塔芭芭拉分校分子、细胞和发育生物学系Christopher D. Richardson撰写的“Review”文章重点介绍了基因组编辑过程中DNA损伤的修复途径以及其对编辑结果的影响。通常，双链断裂损伤（DSB）可以通过链末端的重新连接修复，例如非同源末端连接（NHEJ）可以诱导插入或缺失；也可以通过同源介导DNA修复（HDR），需要donor DNA模板指导修复。两种途径一直是基因组编辑中广泛争论的问题，因为它们最终会获得不同的编辑结果。迄今为止，大多数研究都专注于利用HDR将设计的编辑引入人体细胞，相比NHEJ这种编辑不容易出错，但在人体细胞中很难实现。
这篇文章描述了修复途径，其作用机理、优点和局限性，并通过DNA修复对控制基因编辑结果的可用分子进行了全面概述。不同的细胞周期阶段可以激活独立的修复途径，这意味着在有利于HDR的阶段中及时引入CRISPR-Cas9可以提高编辑效率。即使如此，HDR自身的技术局限性会限制修复效率并增加意外突变的风险，这在Lea和Niakan讨论人类种系基因组编辑时亦有提到。碱基编辑或最近最多报道的prined editing（https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4）可以避免对DSB、HDR和donor模板的需求，该方法使用了与工程逆转录酶和Primer编辑gRNA融合的Cas9切口酶，但到目前为止仅在人类细胞系中进行了测试。
该专题系列还会加入加州大学圣地亚哥分校细胞与分子医学教授Gene Yeo及课题组同事的RNA靶向CRISPR-Cas工具的“Perspective”文章，讨论该技术在RNA生物学领域的应用。在接下来的几个月，Nature会发布其他“Review”文章，例如能够对基因组结构及其核位置进行3D操作的改良版CRISPR平台。
基于CRISPR的创新技术正以惊人的速度发展，多样化的工程解决方案为研究工具提供了稳定增长的空间。通过CRISPR-Cas9修饰实现的许多应用与经典细胞生物学领域的研究直接相关，例如DNA修复、细胞周期、RNA生物学、核组织等，并为人类疾病和发育生物学提供了新的思路。
来源：锐博生物
（本文编译自Nature：CRISPR-basedtechnologies for cell biology）
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41556-019-0434-y