多项研究开发出可增强基因组编辑范围的新型CRISPR/Cas9工具

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多项研究开发出可增强基因组编辑范围的新型CRISPR/Cas9工具

在自然界中，细菌利用CRISPR作为一种适应性免疫系统来保护自己免受病毒的侵袭。在过去的十年里，科学家们成功地利用这一自然现象，发现了细菌中的CRISPR蛋白--其中最广泛使用的是Cas9酶。Cas9与向导RNA（gRNA）相结合，能够靶向结合、切割和降解特定的DNA序列。

CRISPR的应用范围从治疗遗传疾病到农作物的营养功效，它已经成为最有前景的基因组编辑工具之一。然而，Cas9酶依赖特定的DNA邮政编码来确定切割和编辑的位置。虽然来自酿脓链球菌的Cas9（SpCas9）受到最广泛使用，但是它需要靶位点旁边存在两个G碱基。只有不到10%的DNA序列符合这一要求。

在2020年5月发表在Nature Biotechnology期刊和Nature Communications期刊上的两项新的研究中，来自美国麻省理工学院等研究机构的研究人员成功设计出具有增强基因组编辑能力的新蛋白，从而极大地拓宽了可以准确有效地访问的DNA序列。这两项研究是由刚在麻省理工学院媒体实验室完成博士学位的Pranam Chatterjee、麻省理工学院媒体实验室副教授Joseph Jacobson与美国马萨诸塞大学医学院的研究人员合作完成的。论文标题分别为“An engineered ScCas9 with broad PAM range and high specificity and activity”和“A Cas9 with PAM recognition for adenine dinucleotides”。

这些新发现源于这些作者早期在Cas9蛋白的计算发现方面取得的突破性成就。他们从犬链球菌（Streptococcus canis）中鉴定出了Cas9（ScCas9），并在实验中对它进行了表征。虽然与SpCas9相似，但ScCas9具有更广泛地靶向DNA序列的能力。这一发现将Cas9酶可以靶向的位置从最初的基因组上的10%位点扩大到将近50%。2018年，他们在Science Advances期刊上首次报道了这些发现（Science Advances, 24 Oct 2018, doi:10.1126/sciadv.aau0766）。

为了改进ScCas9作为基因组编辑工具的功能，这些作者通过计算方法从相似的Cas9蛋白中找出了独特的部分，从而设计出ScCas9的一个优化版本，他们将它命名为Sc++。

Chatterjee指出，“Sc++是第一个已知的同时表现出有效基因组编辑所必需的三种特性的酶：广泛的靶向能力、强大的切割活性和让因脱靶效应引起的编辑错误最小化。”

与此同时，这些作者成功地利用他们之前开发的SPAMALOT算法，发现了需要两个A碱基而不是两个G碱基的猕猴链球菌（Streptococcus macacae）Cas9（SmacCas9）。通过结构域交换和进一步的基因改造，他们获得新的iSpyMac酶作为首批已知的不需要G碱基的Cas9编辑器之一，这样就可以进一步靶向之前无法靶向的20%的基因组。

Jakimo说，“为了设计出iSpyMac,我们同时对SpCas9进行了数百次修改，即便我们知道哪怕是一次修改也能破坏它。我们的成功证实了微生物基因组数据的丰富性，可以用SPAMALOT这样的工具提供关于蛋白功能的有用线索。”

马萨诸塞州大学医学院RNA治疗学研究所教授兼副主席Erik Sontheimer指出了这两项研究的意义所在。“我们遇到的靶向限制越少，活性和准确性之间的妥协和权衡越少，CRISPR基因组编辑对生物技术和人类健康的影响就越大。这就是为什么Sc++和iSpyMac为CRISPR编辑武器库提供了如此宝贵的新补充。”

鉴于世界各地的实验室已经开始使用这些酶成功编辑从水稻到兔子等各种有机体的基因组，因此这两项研究的下一个目标将是开发工具来靶向剩余30%的基因组序列。Chatterjee与瑞士苏黎世大学合作，正在寻求最终的进展，从而让科学家们能够靶向任何基因组序列，并在治疗遗传疾病时解决任何类型的基因突变问题。

然而，就目前而言，就像在整个麻省理工学院的许多实验室中一样，研究工作的重心是解决COVID-19大流行。通过应用计算设计原理来改造能够靶向识别和结合入侵的SARS-CoV-2病毒的蛋白，Chatterjee及其研究团队正在寻求构建出能够快速阻止这种病毒并让细胞恢复的酶。

Chatterjee补充道，“我们以不同的方式设计蛋白。我们整合计算和实验的能力使得我们能够优化我们的算法，并为一系列应用构建有效的工具，从治疗遗传疾病到COVID-19，等等。”

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