多項研究開發出可增強基因組編輯範圍的新型CRISPR/Cas9工具_風聞

在自然界中，細菌利用CRISPR作為一種適應性免疫系統來保護自己免受病毒的侵襲。在過去的十年裏，科學家們成功地利用這一自然現象，發現了細菌中的CRISPR蛋白--其中最廣泛使用的是Cas9酶。Cas9與嚮導RNA（gRNA）相結合，能夠靶向結合、切割和降解特定的DNA序列。

CRISPR的應用範圍從治療遺傳疾病到農作物的營養功效，它已經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鹼基。只有不到10%的DNA序列符合這一要求。

在2020年5月發表在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的研究人員成功設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”。

圖片來自Nature Communications, 2020, doi:10.1038/s41467-020-16117-8這些新發現源於這些作者早期在Cas9蛋白的計算發現方面取得的突破性成就。他們從犬鏈球菌（Streptococcus

canis）中鑑定出了Cas9（ScCas9），並在實驗中對它進行了表徵。雖然與SpCas9相似，但ScCas9具有更廣泛地靶向DNA序列的能力。這一發現將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現（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，從而設計出ScCas9的一個優化版本，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脱靶效應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的SPAMALOT算法，發現了需要兩個A鹼基而不是兩個G鹼基的獼猴鏈球菌（Streptococcus

macacae）Cas9（SmacCas9）。通過結構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鹼基的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説，“為了設計出iSpyMac，我們同時對SpCas9進行了數百次修改，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據的豐富性，可以用SPAMALOT這樣的工具提供關於蛋白功能的有用線索。”

馬薩諸塞州大學醫學院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和權衡越少，CRISPR基因組編輯對生物技術和人類健康的影響就越大。這就是為什麼Sc++和iSpyMac為CRISPR編輯武器庫提供瞭如此寶貴的新補充。”

鑑於世界各地的實驗室已經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工具來靶向剩餘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，並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。通過應用計算設計原理來改造能夠靶向識別和結合入侵的SARS-CoV-2病毒的蛋白，Chatterjee及其研究團隊正在尋求構建出能夠快速阻止這種病毒並讓細胞恢復的酶。

Chatterjee補充道，“我們以不同的方式設計蛋白。我們整合計算和實驗的能力使得我們能夠優化我們的算法，併為一系列應用構建有效的工具，從治療遺傳疾病到COVID-19，等等。”