多項研究開發(fā)出可增強基因組編輯范圍的新型CRISPR/Cas9工具
在自然界中，細菌利用CRISPR作為一種適應(yīng)性免疫系統(tǒng)來保護自己免受病毒的侵襲。在過去的十年里，科學家們成功地利用這一自然現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了細菌中的CRISPR蛋白--其中最廣泛使用的是Cas9酶。Cas9與向?qū)NA（gRNA）相結(jié)合，能夠靶向結(jié)合、切割和降解特定的DNA序列。
CRISPR的應(yīng)用范圍從治療遺傳疾病到農(nóng)作物的營養(yǎng)功效，它已經(jīng)成為最有前景的基因組編輯工具之一。然而，Cas9酶依賴特定的DNA郵政編碼來確定切割和編輯的位置。雖然來自釀膿鏈球菌的Cas9（SpCas9）受到最廣泛使用，但是它需要靶位點旁邊存在兩個G堿基。只有不到10%的DNA序列符合這一要求。
在2020年5月發(fā)表在Nature Biotechnology期刊和Nature Communications期刊上的兩項新的研究中，來自美國麻省理工學院等研究機構(gòu)的研究人員成功設(shè)計出具有增強基因組編輯能力的新蛋白，從而極大地拓寬了可以準確有效地訪問的DNA序列。這兩項研究是由剛在麻省理工學院媒體實驗室完成博士學位的Pranam Chatterjee、麻省理工學院媒體實驗室副教授Joseph Jacobson與美國馬薩諸塞大學醫(yī)學院的研究人員合作完成的。論文標題分別為“An engineered ScCas9 with broad PAM range and high specificity and activity”和“A Cas9 with PAM recognition for adenine dinucleotides”。
這些新發(fā)現(xiàn)源于這些作者早期在Cas9蛋白的計算發(fā)現(xiàn)方面取得的突破性成就。他們從犬鏈球菌（Streptococcus
canis）中鑒定出了Cas9（ScCas9），并在實驗中對它進行了表征。雖然與SpCas9相似，但ScCas9具有更廣泛地靶向DNA序列的能力。這一發(fā)現(xiàn)將Cas9酶可以靶向的位置從最初的基因組上的10%位點擴大到將近50%。2018年，他們在Science
Advances期刊上首次報道了這些發(fā)現(xiàn)（Science Advances, 24 Oct 2018,
doi:10.1126/sciadv.aau0766）。 為了改進ScCas9作為基因組編輯工具的功能，這些作者通過計算方法從相似的Cas9蛋白中找出了獨特的部分，從而設(shè)計出ScCas9的一個優(yōu)化版本，他們將它命名為Sc++。 Chatterjee指出，“Sc++是第一個已知的同時表現(xiàn)出有效基因組編輯所必需的三種特性的酶：廣泛的靶向能力、強大的切割活性和讓因脫靶效應(yīng)引起的編輯錯誤最小化。” 與此同時，這些作者成功地利用他們之前開發(fā)的SPAMALOT算法，發(fā)現(xiàn)了需要兩個A堿基而不是兩個G堿基的獼猴鏈球菌（Streptococcus
macacae）Cas9（SmacCas9）。通過結(jié)構(gòu)域交換和進一步的基因改造，他們獲得新的iSpyMac酶作為首批已知的不需要G堿基的Cas9編輯器之一，這樣就可以進一步靶向之前無法靶向的20%的基因組。 Jakimo說，“為了設(shè)計出iSpyMac，我們同時對SpCas9進行了數(shù)百次修改，即便我們知道哪怕是一次修改也能破壞它。我們的成功證實了微生物基因組數(shù)據(jù)的豐富性，可以用SPAMALOT這樣的工具提供關(guān)于蛋白功能的有用線索?！?/p>
馬薩諸塞州大學醫(yī)學院RNA治療學研究所教授兼副主席Erik
Sontheimer指出了這兩項研究的意義所在。“我們遇到的靶向限制越少，活性和準確性之間的妥協(xié)和權(quán)衡越少，CRISPR基因組編輯對生物技術(shù)和人類健康的影響就越大。這就是為什么Sc++和iSpyMac為CRISPR編輯武器庫提供了如此寶貴的新補充?！?/p>
鑒于世界各地的實驗室已經(jīng)開始使用這些酶成功編輯從水稻到兔子等各種有機體的基因組，因此這兩項研究的下一個目標將是開發(fā)工具來靶向剩余30%的基因組序列。Chatterjee與瑞士蘇黎世大學合作，正在尋求最終的進展，從而讓科學家們能夠靶向任何基因組序列，并在治療遺傳疾病時解決任何類型的基因突變問題。 然而，就目前而言，就像在整個麻省理工學院的許多實驗室中一樣，研究工作的重心是解決COVID-19大流行。通過應(yīng)用計算設(shè)計原理來改造能夠靶向識別和結(jié)合入侵的SARS-CoV-2病毒的蛋白，Chatterjee及其研究團隊正在尋求構(gòu)建出能夠快速阻止這種病毒并讓細胞恢復(fù)的酶。 Chatterjee補充道，“我們以不同的方式設(shè)計蛋白。我們整合計算和實驗的能力使得我們能夠優(yōu)化我們的算法，并為一系列應(yīng)用構(gòu)建有效的工具，從治療遺傳疾病到COVID-19，等等?！?/p>
