作者：张浩千几天前，来自于南京大学的研究者在基因组学领域的顶级期刊GenomeBiology上发表了题为《AnalternativenoveltoolforDNAeditingwithouttargetsequencelimitation:thestructure-guidednuclease》的研究论文，文中作者发明了一种极为聪明的基因组编辑方法，称作structure-guidedendonuclease（简称为SGN）。具体地说来，作者选用flapendonuclease-1(简称为FEN-1)，一种特异性地识别DNA双链3’端错配的DNA结合蛋白作为DNA结合的执行者，选用常规的FokIcleavagedomain作为DNA切割的执行者，将二者融合起来做成SGN.因此，从理论上说，不论目标序列如何，只要有一段DNA短链（gDNA）能够在结合目标序列的同时还制造出一个3’端的错配，就能招募SGN并进行DNA切割。作者也确实依次实验证明了SGN对于不同gDNA序列，不同3’端错配序列，和不同gDNA序列长度都显著有效。FEN-1是一种被发现超过20年的酶，广泛存在于真核生物和古细菌细胞中。来自南京大学的研究团队利用这种酶对特殊DNA结构的识别能力，尝试将其改造并用于基因编辑目的。（编者）FigurefromXuetal.AnalternativenoveltoolforDNAeditingwithouttargetsequencelimitation:thestructure-guidednuclease,[J]GenomeBiology()17:从整个工作来看，使用FEN-1作为DNA-bindingdomain是一个聪明的想法。如果不是对于哺乳动物DNA复制和修复机制有深入了解的话，是不大可能挖掘出FEN-1这样相对比较偏门的分子生物学工具的。但是不得不说，伴随着技术进步，基因编辑工具的开发也有了越来越高的要求。SGN作为一种DNA编辑工具，也还存在一些美中不足之处：第一，SGN和NgAgo（如果韩春雨的NgAgo真的没有学术问题的话）所面临的问题一样，就是没有自主打开DNA双链的能力。SGN的DNA切割效率很高，但其gDNA只能通过strandinvasion的方式结合DNA双链；而在开环双链的DNA中strandinvasion的效率是很低的，因此可以预见，SGN在体外条件下对于DNA双链的表观切割效率应该不高。作者在体外（invitro）实验中也验证了这一点（论文FigureS3）。对于具有负超螺旋构象的质粒DNA，SGN的表观切割效率可能会有所提高;但如果是用作分子克隆相关的DNA组装，其效率估计还是不够。第二，SGN的DNA切口不整齐。作者在论文中报道，SGN会在距离3’端错配9至10nt的位置进行DNA切割。作者在这里仅仅研究了两个gDNA的情况，所以SGN的切口整齐度分布规律目前不清楚。但有一点是明确的，那就是SGN的DNA切口不像限制性内切酶或者Cpf1那样具有整齐的切口（Cpf1在后续的研究中发现其切口也很可能不整齐），因此SGN编辑DNA的分辨率可能并不会比CRISPR高。第三，SGN的切割特异性是通过FEN-1识别DNA双链的3’端错配来实现的，作者向细胞内导入外源gDNA在特定位点制造了3’端错配。然而，细胞基因组在复制和修复的过程中，也会内源地形成3’端错配的结构，因此有可能会招募到SGN导致脱靶切割。作者证明了SGN潜在的脱靶效应不会带来显著的细胞毒性，但未来需要更直接、更定量的表征实验才能确保SGN的脱靶效应不显著。
借着SGN，我来谈谈对于下一代DNA编辑工具的认识。已有的DNA编辑工具如CRISPR-Cas9极大地提高了人们对于DNA的操作能力，特别在活细胞内（invivo）编辑基因组的能力，但也存在切口不整齐，存在细胞毒性，DNA编辑分辨率不足等限制因素。这就使得，目前的DNA编辑主要还是集中在对原有的生物基因组进行原位小修小改的水平；对于从头设计和深度改造那些编码了复杂生物功能的超长DNA片段，目前已有的DNA编辑工具还无法从DNA组装通量和组装效率上满足需求。也正是因为如此，尽管在各种微生物基因组中已经发现了极为丰富的天然代谢产物的合成基因簇（genecluster），由于缺乏组装和编辑基因簇（通常20kbp）的工具，我们还是仍然无法将天然资源的宝库充分利用起来。因此，我很期待下一代的DNA编辑工具，它应该具有整齐的切口，低或者无细胞毒性，并且能够在单碱基分辨率的水平上进行DNA分子编辑。拥有了这样的工具，我们不仅可以高效率地对超长的DNA片段如天然代谢产物的合成基因簇进行增删插改的体外编辑，而且有希望借助它强大的编辑能力根据我们的需求重构细菌的代谢网络，构建真正的细胞工厂。
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