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张锋Nature重大突破:用新型高效Cas9实现基因组编辑

来自哈佛-麻省理工Broad研究所、麻省理工学院和国立卫生研究院国家生物技术信息中心的研究人员,在一项合作研究中发现了一种高效的Cas9核酸酶,攻克了体内基因组编辑面临的一个主要挑战。发表在《自然》(Nature)杂志上的研究结果,预计将有助于CRISPR工具箱更容易地应用于体内实验和治疗用途。


最早在细菌中被发现,CRISPR-Cas9系统能够切割DNA,充当了对抗病毒感染的一个重要防御机制。尽管许多的微生物物种都拥有这一系统,研究人员优先选择改造了来自化脓链球菌的Cas9酶(SpCas9)来改变高等生物的DNA,并已成为一系列高度通用的基因组修饰技术的基础。


要想扰乱成体动物中的基因,必须要利用一些载体将CRISPR-Cas9系统的关键元件导入到细胞中。由于不会引起人类疾病并已在欧洲获得临床监管机构的批准,腺相关病毒(AAV)被视为是最有前景的候选载体之一。然而,AAV微小的负载能力使得同时包装SpCas9酶和其他基因编辑必需的元件进入到单个病毒颗粒中成为一个挑战。


新研究工作介绍了一种来自金黄色葡萄球菌的Cas9核酸酶(SaCas9),它比SpCas9小25%,从而为AAV的包装问题提供了一个解决方案。


Broad研究所核心成员、麻省理工学院McGovern脑研究所研究员张锋(Feng Zhang)领导的研究小组,与麻省理工学院教授Phillip Sharp及国家生物技术信息中心的Eugene Koonin合作,着手鉴别出了一种更小的Cas9酶,它既可以复制当前SpCas9系统的效率,并且容许包装到诸如AAV一类的载体中。研究人员一开始利用比较基因组学分析了来自600多种不同类型细菌的Cas9s,选择了6个较小的酶进行进一步研究。


Koonin说:“通过筛查600个左右可获得的Cas9序列,我们发现了一组酶结构域是完整的,而非酶部分被大大截短的小变异体。幸运的是,其中一个较小的Cas9蛋白被证实适合开发论文描述的这种方法。我们现正在积极地探索Cas9和相关蛋白的多样性,希望能够找到一些有潜力促成更强大工具的新变种。”


经过严格的测试,证实只有来自金黄色葡萄球菌的Cas9在哺乳动物细胞中的DNA切割效率与SpCas9相当。该研究小组随后利用了由卡罗林斯卡学院的Nicola Crosetto和法兰克福歌德大学的Ivan Dikic开发的一种方法BLESS,来确定了整个基因组空间中存在的意外的“脱靶”情况。再一次证实了SaCas9和SpCas9具有相当的DNA靶向精确度。


研究利用AAV/SaCas9介导靶向一种有前景的药物靶点PCSK9,证实了它的体内基因编辑能力。在人体内PCSK9丧失与心血管疾病风险降低及LDL胆固醇水平下降相关联。在小鼠模型中,研究人员观察到给予AAV/SaCas9后一周血液中的PCKS9几乎完全耗尽,总胆固醇下降40%。小鼠未表现出明显的炎症或免疫反应迹象。


研究的共同第一作者Fei Ann Ran说:“尽管我们在这一原理证明研究中选择的是治疗相关靶点PCSK9,我们的更大目标是开发出通用、高效的系统来扩大我们在体内编辑基因组的能力。”


更广泛来说,SaCas9预计将提高科学家们利用动物模型筛查突变效应的能力,更好地了解基因功能。在未来,或许可以改造它来实现靶向基因表达调控,利用它来扩大我们对于细胞中转录和表观遗传调控的认识。


资深作者张锋说,下一步是比较两种Cas9s,希望能够发现一些进一步优化这一系统的方法。


张锋说:“这一研究突显了利用比较基因组分析来扩展CRISPR-Cas9工具箱的能力。我们的长期目标是将CRISPR开发为一种治疗平台。这一新的Cas9为扩大我们的Cas9清单,帮助我们构建出更好的疾病模型,鉴别出一些机制,以及开发出新疗法提供了一个支架。”


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