嚮導RNA(guide RNA)
/ gRNA; sgRNA = 'single guide RNA' /
如果說Cas9是一把剪刀,那麼嚮導RNA就是告訴剪刀去哪裡的地址標籤。Cas9本身對序列是盲的——它內置不知道該切哪段DNA。嚮導RNA提供了這一資訊,而精妙之處在於,它指引剪刀靠的不是複雜的蛋白質形狀匹配,而是簡單的鹼基配對——正是把DNA維繫在一起的那條A配T、G配C的規則。
嚮導RNA攜帶著一段約20個核苷酸的短序列,叫做間隔序列(spacer),其序列由你選定,以匹配你的目標。在細胞內,裝上嚮導的Cas9掃描DNA;每當它找到一個PAM,便撬開雙螺旋,把嚮導的間隔序列湊近其中一條DNA鏈。若鹼基對齊——嚮導RNA沿那20個字母的窗口與目標DNA配對——Cas9就鎖死並切割;若不匹配,它便鬆開、繼續前行。實際上,天然系統用的是兩段RNA,研究者把它們融合成一個方便的分子,叫單嚮導RNA(sgRNA):它的一部分與目標鹼基配對,其餘部分摺疊成一個供Cas9抓握的把手。
嚮導RNA正是CRISPR如此易於重新程式化的原因所在。要把編輯器瞄向一個新基因,你無需重新設計任何蛋白質——只需合成一段帶新20字母間隔序列的嚮導,又快又便宜。這正是CRISPR超越鋅指核酸酶和TALEN的全部緣由。誠實的告誡是:鹼基配對能容忍幾處錯配,所以一段嚮導也可能與別處相似卻錯誤的序列配對,這正是脫靶編輯的根源。良好的嚮導設計會盡量挑選在基因組中獨一無二的間隔序列,以把這種風險壓低。
想編輯一個序列包含 ……GGTCACGTGCATAGGCTACG(旁邊有PAM)的基因?你就訂購一段間隔序列讀出相應RNA字母的嚮導RNA,攜帶它的Cas9便會精確歸位到那個位點。
寫下20個字母的RNA,剪刀就知道該去哪裡。
嚮導並不只結合它的完美匹配。由於鹼基配對能容忍部分錯配,嚮導可能與相似序列部分配對,因此脫靶切割是標靶原理本身的屬性,而不僅是設計草率所致。