来自哈佛医学院的研究人员开发出了一种预测软件，可以准确找出最有效的方法利用CRISPR-Cas9基因编辑技术来实现基因打靶。这项重要的研究成果发布在《自然方法》（Nature methods）杂志上。

领导这一研究小组的是哈佛医学院著名遗传学教授、Wyss研究所的核心成员著名遗传学George Church。他被誉为是个人基因组学和合成生物学的先锋。1984年，Church和WalterGilbert发表了首个直接基因组测序方法，该文章中的一些策略现在仍应用在二代测序技术中。此外，如今的多重化分子技术和条码式标签也是他发明的。Church还是纳米孔测序技术的发明者之一。

利用CRISPR-Cas9系统科学家们可以非常容易及准确地改变基因组，这为通过遗传工程来改善人类健康及环境带来了新希望。Cas9是一种存在于某些细菌中的天然蛋白，它可以像一对分子剪刀一样精确地切割DNA片段，是一种极其有效的基因编辑工具。借助于一段匹配的向导RNA（guide RNA）序列可以将Cas9引导至特异的基因处诱导基因突变，使得科学家们可以编程控制基因编辑。

尽管Cas9可以精确地完成这些功能，然而可能会有不止一条向导RNA可以与指定的靶基因匹配，因而研究人员一开始便面对着一项排查工作：为指定的基因编辑任务选择出最佳的向导RNA。

为了绕过这一选择向导RNA的试错过程，研究小组开发出了一种简单的新软件程序，用来预测可将Cas9引导至靶基因处的最佳向导RNAs。

不同于科学家们当前使用的其他基因靶向算法，这一软件是基于利用人类基因组收集的实验数据分级排列任何给定向导RNA靶向目标靶基因的效率。

“这将普遍提高科学家们选择出适当向导RNA的速度和准确性，从而达到他们期望的基因编辑结果，”Church说。

现在Church研究小组不仅公开了当前最常用的Cas9细菌源——化脓性链球菌（S. pyogenes ）的Cas9的有效向导RNAs信息，还提供了越来越普遍使用的另一种细菌物种——嗜热链球菌（S. thermophilus）最全面的向导RNA文库。

为了开发出作为新软件基础的这一算法，Church研究小组高通量分析了许多靶基因和互补向导RNAs之间的活性，搜索了向导RNA序列的模式——这可以表明它们结合指定靶基因的效率。

为此，他们从每个靶基因中挑选出了一段独特的序列，合成出一段完全相同的DNA来代表靶基因，随后他们构建出了一个极大的DNA文库，将它储存在细胞质粒中。利用一种病毒作为传送载体，他们随后将这一文库传送到了培养细胞基因组中。为了测试出可以最有效抵达独特靶基因处的向导RNAs，研究人员将互补的向导RNA与Cas9一起插入到细胞中，使得Cas9有机会在成功匹配的位点生成基因组突变。随后的基因组提取及测序过程轻易地揭示出了与每个靶基因最佳匹配的向导RNA。

基于这些数据，研究小组开发出了他们的新算法，并对靶向几乎所有人类基因的最有效向导RNAs进行了排序和评分。

研究的主要作者、哈佛医学院遗传学研究人员Raj Chari说：“通过分析我们的结果，我们发现了向导RNA序列的一些特征，这些特征表明了它们可在多大程度上将Cas9引导至目标靶基因。通过基于这些特征设计出一种算法，我们现在可以检测任何的向导RNA序列，打出分数来预计它的效率。”

通过加速基因编辑过程这部分的工作，科学家们可以将主要精力放到应用Cas9基因编辑，开发出一些基因疗法来对抗诸如镰状细胞贫血、癌症或艾滋病等疾病上，或是构建出遗传工程生物帮助清理环境，或是执行其他的功能，例如持续地生成化学产品。

“对于所有在日常工作中使用RNA导向Cas9的科学家们而言，获得这样的一种工具将让他们大大获益，可迅速地缩小最有效引导Cas9到目的基因处去的向导RNA的范围，”Chari说。

More information: Unraveling CRISPR-Cas9 genome engineering parameters via a library-on-library approach, Nature Methods, DOI: 10.1038/nmeth.3473