Mol Cell：新成果！科学家开发出一种高效的迷你CRISPR基因编辑系统！

2021年9月9日 讯 /生物谷BIOON/ --紧凑和多功能的CRISPR-Cas系统能通过在各种情况下的高效传递从而实现基因组的工程化研究及应用；对CRISPR基因编辑技术最常见的比喻就是，其工作方式就好像是分子剪刀，能够减掉DNA的特定部分；近日，一篇发表在国际杂志Molecular Cell上题为“Engineered miniature CRISPR-Cas system for mammalian genome regulation and editing”的研究报告中，来自斯坦福大学等机构的科学家们在CRISPR研究领域取得重大突破，他们开发出了一种高效多用途的迷你CRISPR系统，常用的CRISPR系统（携带诸如Cas9、Cas12a多种版本的CRISPR相关蛋白）由大约1000-1500个氨基酸组成，而这种新型迷你CRISPR系统（CasMINI）则仅由529个氨基酸组成。

图片来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276521006481

研究人员在实验中证实，CasMINI能像其更强大的对应物一样删除、激活并编辑遗传代码，其较小的尺寸意味着其能更容易地被运输到人类细胞和机体中，从而就能作为一种治疗多种疾病的潜在工具，包括眼睛疾病、器官退化和一般的遗传性疾病等。为了使得该系统尽可能小，研究人员决定从CRISPR蛋白Cas12f（也成为Cas14）开始研究，因为其仅包含400-700个氨基酸；然而，与其它CRISPR一样，Cas12f也自然来源于古细菌（一种单细胞有机体），这就意味着其或许不太适合于哺乳动物细胞，更不用说是人类细胞或机体了；而目前已知的少数CRISPR蛋白能在哺乳动物细胞工作且不用修饰，但不幸的是，Cas12f并不是其中之一，这就使其成为了生物工程学研究的一个非常诱人的挑战。

实际上，研究者Xiaoshu Xu并没有在人类细胞中观察到天然的Cas12f的活动，于是他们假设，人类基因组DNA要比细菌的DNA更加复杂且更不容易获得，这就使得Cas12f很难在细胞中靶向作用其靶点；通过查看Cas12f系统的计算预测结构，研究者在蛋白质中仔细选择了大约40个可能这一限制的突变，并创建了一种“管线”来同时检测多种蛋白质突变体；从理论上来讲，一个有效的突变体将会通过激活人类细胞基因组中的绿色荧光蛋白来使其变成绿色。

最初，这一系统在一年内完全都没有发挥作用，但经过不断地生物工程改造，如今研究人员观察到某些工程化的蛋白被开启了表达，这就好像变魔术一样，这才让研究人员真正体会到合成生物学和生物工程研究的巨大力量。经过多次重复，研究人员就能进一步提高蛋白质的性能，一开始他们只看到两个细胞显示了绿色信号，但经过工程化改造后，研究者在显微镜下观察到的每个细胞都是绿色的。

RNA工程和迭代蛋白工程能从V-F型CRISPR中生成有效的报告基因激活的dCasMINI变异。

图片来源：Xiaoshu Xu，et al. Molecular Cell (2021). DOI:10.1016/j.molcel.2021.08.008

目前研究人员制造出了一个相当好的系统，他们正在考虑如何将这种分子尽快应用起来。除了蛋白质工程研究外，研究者还设计了引导Cas9蛋白抵达其靶点DNA的特殊RNA，对这两个组件的修饰或许对于使CasMINI系统能在人类细胞中发挥作用至关重要；随后研究人员测试了CasMINI在实验室基于人类的细胞中的剔除和编辑基因的能力；包括与HIV感染、抗肿瘤免疫反应以及与贫血有关的基因；这对于他们所测试的每一个基因都起作用，而且在多个基因中都有强烈的反应。

目前已经开始与其他科学家们合作来寻找新的基因疗法；他们还分析了如何促进在RNA技术上的研究，比如开发mRNA COVID-19疫苗的技术，其尺寸或许就是一个限制性的因素。自CRISPR出现的早期以来，这种对这些系统进行工程化改造的能力一直是该领域研究人员所期望的，其能帮助研究人员进行更为广阔的研究。综上，本文研究结果表明，CasMINI或能用于体内和体外的细胞工程化研究和基因疗法的开发应用。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Xiaoshu Xu，Augustine Chemparathy，Leiping Zeng, et al. Engineered Miniature CRISPR-Cas System for Mammalian Genome Regulation and Editing, Molecular Cell (2021). DOI:10.1016/j.molcel.2021.08.008