向导RNA(guide RNA)
/ gRNA; sgRNA = 'single guide RNA' /
如果说Cas9是一把剪刀,那么向导RNA就是告诉剪刀去哪里的地址标签。Cas9本身对序列是盲的——它内置不知道该切哪段DNA。向导RNA提供了这一信息,而精妙之处在于,它指引剪刀靠的不是复杂的蛋白质形状匹配,而是简单的碱基配对——正是把DNA维系在一起的那条A配T、G配C的规则。
向导RNA携带着一段约20个核苷酸的短序列,叫做间隔序列(spacer),其序列由你选定,以匹配你的目标。在细胞内,装上向导的Cas9扫描DNA;每当它找到一个PAM,便撬开双螺旋,把向导的间隔序列凑近其中一条DNA链。若碱基对齐——向导RNA沿那20个字母的窗口与目标DNA配对——Cas9就锁死并切割;若不匹配,它便松开、继续前行。实际上,天然系统用的是两段RNA,研究者把它们融合成一个方便的分子,叫单向导RNA(sgRNA):它的一部分与目标碱基配对,其余部分折叠成一个供Cas9抓握的把手。
向导RNA正是CRISPR如此易于重新编程的原因所在。要把编辑器瞄向一个新基因,你无需重新设计任何蛋白质——只需合成一段带新20字母间隔序列的向导,又快又便宜。这正是CRISPR超越锌指核酸酶和TALEN的全部缘由。诚实的告诫是:碱基配对能容忍几处错配,所以一段向导也可能与别处相似却错误的序列配对,这正是脱靶编辑的根源。良好的向导设计会尽量挑选在基因组中独一无二的间隔序列,以把这种风险压低。
想编辑一个序列包含 ……GGTCACGTGCATAGGCTACG(旁边有PAM)的基因?你就订购一段间隔序列读出相应RNA字母的向导RNA,携带它的Cas9便会精确归位到那个位点。
写下20个字母的RNA,剪刀就知道该去哪里。
向导并不只结合它的完美匹配。由于碱基配对能容忍部分错配,向导可能与相似序列部分配对,因此脱靶切割是靶向原理本身的属性,而不仅是设计草率所致。