《Cell》基因編輯的突破:基于AsCas12f的10倍效率基因組編輯工具

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2023-10-07 10:08:00【大中小】

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，近年來還開始進行人體試驗，以克服一些最具挑戰(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，他們開發(fā)了最精確的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，可以進入許多不同類型的細胞，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。”

它的大尺寸意味著Cas9在用于基因治療時可能缺乏效率。因此，一個大型的多機構(gòu)團隊致力于開發(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)點是它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最緊湊的Cas酶之一，其大小不到Cas9的三分之一。

新設(shè)計的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胞中，使其更有效。

在之前的測試中，AsCas12f在人類細胞中幾乎沒有任何基因組活性。

研究人員創(chuàng)建了一個可能的AsCas12f突變庫，然后將選擇的突變組合在一起，設(shè)計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的每個氨基酸殘基，組裝了一個潛在的新候選者庫。由此，我們確定了200多個增強基因組編輯活性的突變，”Nureki解釋說。“基于從AsCas12f的結(jié)構(gòu)分析中獲得的見解，我們選擇并結(jié)合這些增強活性的氨基酸突變來創(chuàng)建一個修飾的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)，同時保持更小的尺寸。”

該團隊已經(jīng)對AsCas12f系統(tǒng)進行了動物試驗，將其與其他基因結(jié)合起來，并將其施用于活小鼠。直接對人體進行治療比提取細胞、在實驗室對其進行編輯、再將其植入患者體內(nèi)更可取，后者更耗時、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)。

該團隊發(fā)現(xiàn)了許多潛在的有效組合，用于設(shè)計改進的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理想的。下一步，計算建模或機器學(xué)習(xí)可以用來篩選組合，并預(yù)測哪些可能會提供更好的改進。

“提升AsCas12f以展示與Cas9相當(dāng)?shù)幕蚪M編輯活性是一項重大成就，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。“對我們來說，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，我們的下一個挑戰(zhàn)是實際實施基因治療，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