CRISPR-Cas9是一種普遍的基因組編輯技術，用於研究特定基因和修改與疾病有關的基因。然而，它有一些缺點，如意外的突變和毒性，因此有必要開發一種將這些副作用最小化的技術，以提高其在工業和醫學領域的適用性。

來自日本九州大學和名古屋大學醫學院的研究人員開發出了一種優化的基因組編輯方法，它可以大大減少CRISPR-Cas9中不需要的突變和毒性。這種被稱為”保障性gRNA”（[C]gRNA）的新技術展示了安全和高效基因治療的潛力，可應用於治療像纖維發育不良性骨質增生這樣的遺傳疾病。他們的研究已經發表在《自然-生物醫學工程》上。

以CRISPR-Cas9為中心的基因組編輯技術已經徹底改變了食品和醫藥行業。在該技術中，Cas9核酸酶是一種切割DNA的酶，它與合成的引導RNA（gRNA）一起被引入細胞中，引導酶到達所需的位置。通過切割基因組，不需要的基因可以被刪除，而新的（功能性）基因可以被輕鬆而快速地加入進來。

基因組編輯的一個缺點是，人們越來越擔心突變和脫靶效應。這通常是由於酶瞄準的基因組位點具有與目標位點相似的序列而造成的。同樣，當基因被改變時，染色體水平的突變也會發生，這已經阻礙了基因治療癌症的臨床試驗，甚至導致接受肌肉萎縮症治療的病人死亡。該小組假設，目前使用Cas9的編輯協議會造成過度的DNA裂解，從而導致一些突變。

為了驗證這一假設，由九州大學的Masaki Kawamata助理教授和名古屋大學醫學研究生院的Hiroshi Suzuki教授組成的小組在小鼠細胞中構建了一個名為”AIMS”的系統，該系統對每條染色體分別評估了Cas9的活性。他們的結果顯示，常用的方法與非常高的編輯活性有關。他們確定這種高活性導致了一些不必要的副作用，因此他們尋找能夠抑制這種活性的gRNA修改方法。他們發現，在gRNA的5′端增加一個額外的胞嘧啶延伸是對過度活性的有效”保障”，並允許控制DNA的裂解。他們稱這種微調系統為’保障性gRNA’（[C]gRNA）”。

結果是驚人的，使用他們的新技術後，脫靶效應和細胞毒性減少了，單allele選擇性編輯的效率提高了，同源定向修復的效率也提高了，這是DNA雙鏈斷裂修復最常用的機制。

為了測試其在醫療環境中的有效性，他們研究了一種名為纖維發育不良的罕見疾病。利用小鼠模型，他們能夠創造出與人類版本的疾病相同的基因類型。然後，利用患者衍生的iPS細胞，他們能夠精確地修復導致該疾病的疾病相關等位基因中具體到單個核苷酸的損傷，證明了他們的技術作為一種安全和高效的基因治療方法的有用性。

該團隊還構建了第一個關於各種基因組編輯模式和Cas9活性之間相關性的數學模型，這將使用戶能夠模擬整個細胞群中基因組編輯的結果。這一突破將使研究人員能夠確定使效率最大化的Cas9活性，減少所需的巨大成本和勞動。

“我們建立了一個新的基因組編輯平台，通過開發具有適當Cas9活性的活性調節[C]gRNAs，可以最大限度地提高所需的編輯效率。此外，我們發現’保障gRNA’可以通過調節gRNA的活性應用於各種需要gRNA的CRISPR工具，如使用Cas12a的工具，它具有不同的DNA裂解機制，”Suzuki教授說。”對於使用Cas9激活或抑制感興趣的基因的技術，如CRISPR激活和CRISPR干擾，過度誘導或抑制基因的表達可能沒有用，甚至對細胞有害。通過[C]gRNA控製表達水平是一項重要技術，可用於各種應用，包括實施精確的基因治療”。