Cell：成功开发出基于AsCas12f的紧凑型基因组编辑工具

一种基于CRISPR的新型基因编辑工具已经开发出来，这可以为遗传疾病患者带来更好的治疗。这种工具是一种名为AsCas12f的酶，经过基因修饰后具有相同的功效，但体积只有常用于基因编辑的Cas9酶的三分之一。体积小巧意味着可以将更多的这种酶装入病毒载体，然后递送到活细胞中，从而提高效率。

在一项新的研究中，来自日本东京大学、京都府立医科大学和自治医科大学等研究机构的研究人员构建出了一个可能的AsCas12f突变文库，然后将选定的突变组合在一起，设计出一种AsCas12f酶，其编辑能力是原始未突变类型的10倍。这种经过改进的 AsCas12f 已成功地在小鼠身上进行了测试，未来有可能开发出一种在患者体内使用的更有效的新疗法。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“An AsCas12f-based compact genome-editing tool derived by deep mutational scanning and structural analysis”。

如今你可能已经听说过 CRISPR，它是一种基因编辑工具，能让人们替换和改变 DNA 片段。就像基因裁缝一样，科学家们一直在尝试“剪除”使蚊子成为疟疾携带者的基因，改变粮食作物使其更有营养、更美味，而且近年来还开始进行人体试验，以攻克一些最具挑战性的疾病和遗传疾病。CRISPR在改善我们生活方面的潜力是如此惊人，以至于在2020年，Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier获得了诺贝尔化学奖，他们开发了最为精确的CRISPR-Cas9版本。

但即使是 Cas9 也有局限性。将遗传物质送入宿主细胞的常见方法是使用改良病毒作为载体。腺相关病毒（AAV）对患者无害，可以进入多种不同类型的细胞来递送CRISPR酶（如Cas9），而且与其他一些方法相比，引起不良免疫反应的可能性较低。然而，就像任何包裹递送服务一样，它也有大小限制。

论文共同通讯作者、东京大学生物科学系的 Osamu Nureki 教授解释说，“Cas9 已经达到了这一尺寸限制的极限，因此人们需要一种更小的 Cas 蛋白，它可以被有效地包装到 AAV 中，并用作基因组编辑工具。”

Cas9的体积庞大，这意味着它在用于基因治疗时可能缺乏效率。因此，这些作者致力于开发一种更小的同样活跃但效率更高的 Cas 酶。

这些作者从 Axidibacillus sulfuroxidans 细菌中选取了一种名为 AsCas12f 的酶。这种酶的优势在于它是迄今发现的最紧凑的 Cas 酶之一，体积不到 Cas9 的三分之一。然而，在之前的测试中，它在人类细胞中几乎没有表现出任何基因组编辑活性。

Nureki 解释说，“我们使用一种叫做深度突变扫描（deep mutational scanning）的筛选方法，将AsCas12f的每个氨基酸残基都替换成所有生命赖以生存的20种氨基酸之一，从而组建了一个潜在的新候选突变文库。由此，我们确定了 200 多种可增强基因组编辑活性的突变。”

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.031。

Nureki解释，“根据从AsCas12f结构分析中获得的新见解，我们选择并组合了这些活性增强的氨基酸突变，从而构建了一种改进的AsCas12f。这种改进的AsCas12f的基因组编辑活性是普通型AsCas12f的10倍以上，与Cas9相当，但体积却小得多。”

这些作者已经对这种改进的AsCas12f系统进行了动物实验，将它与其他基因配对，递送到活体小鼠体内。与提取细胞、在实验室中对这些细胞进行编辑并将它们重新给送到患者体内相比，直接在患者体内递送这种改进的AsCas12f系统更可取。

这些动物实验的成功表明，这种改进的AsCas12f系统有可能用于人类基因疗法，如治疗血友病，即一种血液不能正常凝固的疾病。

这些作者发现了许多潜在的有效突变组合，可用于设计改良的AsCas12f基因编辑系统，因此他们承认，他们所选择的突变组合可能并非所有可用突变组合中的最优组合。

下一步，这些作者可能利用计算建模或机器学习来筛选这些突变组合，并预测哪些突变组合能带来更好的改进。

Nureki说，“将AsCas12f的基因组编辑活性提升到与Cas9相当的水平是一项重大成就，是开发新的、更紧凑的基因组编辑工具的重要一步。”

Nureki说，“对我们来说，基因疗法的关键在于它能真正帮助患者。利用我们开发的AsCas12f改良版本，我们的下一个挑战是真正进行基因治疗，以帮助治疗遗传疾病患者。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Tomohiro Hino et al. An AsCas12f-based compact genome editing tool derived by deep mutational scanning and structural analysis. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.031.

2. Small but mighty new gene editor
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00309.html