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摘要：一種新的CRISPR基因編輯工具，AsCas12f，比常用的Cas9小，已經(jīng)被設(shè)計(jì)用于治療遺傳疾病的更高效率和效果。該工具在小鼠身上測試成功，可能會(huì)在人類身上應(yīng)用更緊湊、更有效的基因組編輯技術(shù)。
到目前為止，你可能聽說過CRISPR，這是一種基因編輯工具，它使研究人員能夠替換和改變DNA片段。就像基因裁縫一樣，科學(xué)家們一直在嘗試“剪掉”使蚊子成為瘧疾攜帶者的基因，改變糧食作物，使其更有營養(yǎng)、更美味，近年來還開始進(jìn)行人體試驗(yàn)，以克服一些最(空)具挑戰(zhàn)性的疾病和遺傳疾病。
CRISPR改善我們生活的潛力是如此驚人，以至于在2020年，研究人員詹妮弗·杜德納(Jennifer Doudna)和艾曼紐爾·查彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們開發(fā)了最(空)精確的CRISPR-Cas9工具。
圖1 基于AsCas12f的緊湊型基因組編輯工具
但即使是Cas9也有局限性。將遺傳物質(zhì)傳遞到宿主細(xì)胞的常用方法是使用修飾過的病毒作為載體。腺相關(guān)病毒(AAV)對患者無害，可以進(jìn)入許多不同類型的細(xì)胞，引入Cas9等CRISPR酶，與其他一些方法相比，引發(fā)不良免疫反應(yīng)的可能性較低。然而，像任何包裹遞送服務(wù)一樣，有尺寸限制。
東京大學(xué)生物科學(xué)系的Osamu Nureki教授解釋說:“Cas9處于這種大小限制的極限，因此需要一種更小的Cas蛋白，可以有效地包裝成AAV并作為基因組編輯工具?！?/div>
圖2 AsCas12f編輯工具的應(yīng)用
它的大尺寸意味著Cas9在用于基因治療時(shí)可能缺乏效率。因此，一個(gè)大型的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)一種更小的Cas酶，它同樣活躍，但效率更高。研究人員選擇了一種名為AsCas12f的酶，這種酶來自于硫氧化軸二芽孢桿菌。這種酶的優(yōu)點(diǎn)是它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最(空)緊湊的Cas酶之一，其大小不到Cas9的三分之一。
新設(shè)計(jì)的CRISPR酶提供了一種更緊湊的DNA編輯解決方案，保持了現(xiàn)有工具的效率，并可以改善患者的治療。新的基于CRISPR的基因編輯工具可能會(huì)為患有遺傳性疾病的患者帶來更好的治療方法。這種工具是一種名為AsCas12f的酶，它經(jīng)過了修飾，可以提供同樣的效果，但大小只有通常用于基因編輯的Cas9酶的三分之一。緊湊的尺寸意味著更多的它可以被裝入載體病毒并傳遞到活細(xì)胞中，使其更有效。
在之前的測試中，AsCas12f在人類細(xì)胞中幾乎沒有任何基因組活性。
研究人員創(chuàng)建了一個(gè)可能的AsCas12f突變庫，然后將選擇的突變組合在一起，設(shè)計(jì)出一種編輯能力比原始未突變型高10倍的AsCas12f酶。這種基因工程的AsCas12f已經(jīng)在小鼠身上成功進(jìn)行了測試，并有可能在未來用于新的、更有效的治療方法。
圖2 AsCas12f編輯工具的應(yīng)用
“使用一種稱為深度突變掃描的篩選方法，我們通過用所有生命所基于的所有20種氨基酸取代AsCas12f的每個(gè)氨基酸殘基，組裝了一個(gè)潛在的新候選者庫。由此，我們確定了200多個(gè)增強(qiáng)基因組編輯活性的突變，”Nureki解釋說?！盎趶腁sCas12f的結(jié)構(gòu)分析中獲得的見解，我們選擇并結(jié)合這些增強(qiáng)活性的氨基酸突變來創(chuàng)建一個(gè)修飾的AsCas12f。與通常的AsCas12f類型相比，這種工程AsCas12f具有10倍以上的基因組編輯活性，并且與Cas9相當(dāng)，同時(shí)保持更小的尺寸。”
該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對AsCas12f系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)物試驗(yàn)，將其與其他基因結(jié)合起來，并將其施用于活小鼠。直接對人體進(jìn)行治療比提取細(xì)胞、在實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行編輯、再將其植入患者體內(nèi)更可取，后者更耗時(shí)、更昂貴。測試的成功表明，經(jīng)過改造的AsCas12f具有用于人類基因治療的潛力，例如治療血友病(一種血液不能正常凝結(jié)的疾病)。
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了許多潛在的有效組合，用于設(shè)計(jì)改進(jìn)的AsCas12f基因編輯系統(tǒng)，因此研究人員承認(rèn)，選擇的突變可能不是所有可用組合中最(空)理想的。下一步，計(jì)算建模或機(jī)器學(xué)習(xí)可以用來篩選組合，并預(yù)測哪些可能會(huì)提供更好的改進(jìn)。
“提升AsCas12f以展示與Cas9相當(dāng)?shù)幕蚪M編輯活性是一項(xiàng)重大成就，并且是開發(fā)新的，更緊湊的基因組編輯工具的重要一步，”Nureki說?！皩ξ覀儊碚f，基因療法的關(guān)鍵在于它真正幫助病人的潛力。使用我們開發(fā)的工程AsCas12f，我們的下一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)際實(shí)施基因治療，以幫助患有遺傳疾病的人。”
參考資料
[1] An AsCas12f-based compact genome-editing tool derived by deep mutational scanning and structural analysis
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