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張鋒：用新型高效Cas9實現(xiàn)基因組編輯
來自哈佛-麻省理工Broad研究所、麻省理工學(xué)院和國立衛(wèi)生研究院國家生物技術(shù)信息中心的研究人員，在一項合作研究中發(fā)現(xiàn)了一種高效的Cas9核酸酶，攻克了體內(nèi)基因組編輯面臨的一個主要挑戰(zhàn)。發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的研究結(jié)果，預(yù)計將有助于CRISPR工具箱更容易地應(yīng)用于體內(nèi)實驗和治療用途。
最早在細菌中被發(fā)現(xiàn)，CRISPR-Cas9系統(tǒng)能夠切割DNA，充當(dāng)了對抗病毒感染的一個重要防御機制。盡管許多的微生物物種都擁有這一系統(tǒng)，研究人員優(yōu)先選擇改造了來自化膿鏈球菌的Cas9酶（SpCas9）來改變高等生物的DNA，并已成為一系列高度通用的基因組修飾技術(shù)的基礎(chǔ)。
要想擾亂成體動物中的基因，必須要利用一些載體將CRISPR-Cas9系統(tǒng)的關(guān)鍵元件導(dǎo)入到細胞中。由于不會引起人類疾病并已在歐洲獲得臨床監(jiān)管機構(gòu)的批準(zhǔn)，腺相關(guān)病毒（AAV）被視為是最有前景的候選載體之一。然而，AAV微小的負載能力使得同時包裝SpCas9酶和其他基因編輯必需的元件進入到單個病毒顆粒中成為一個挑戰(zhàn)。
新研究工作介紹了一種來自金黃色葡萄球菌的Cas9核酸酶（SaCas9），它比SpCas9小25%，從而為AAV的包裝問題提供了一個解決方案。
Broad研究所核心成員、麻省理工學(xué)院McGovern腦研究所研究員張鋒（Feng Zhang）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，與麻省理工學(xué)院教授Phillip Sharp及國家生物技術(shù)信息中心的Eugene Koonin合作，著手鑒別出了一種更小的Cas9酶，它既可以復(fù)制當(dāng)前SpCas9系統(tǒng)的效率，并且容許包裝到諸如AAV一類的載體中。研究人員一開始利用比較基因組學(xué)分析了來自600多種不同類型細菌的Cas9s，選擇了6個較小的酶進行進一步研究。
Koonin說：“通過篩查600個左右可獲得的Cas9序列，我們發(fā)現(xiàn)了一組酶結(jié)構(gòu)域是完整的，而非酶部分被大大截短的小變異體。幸運的是，其中一個較小的Cas9蛋白被證實適合開發(fā)論文描述的這種方法。我們現(xiàn)正在積極地探索Cas9和相關(guān)蛋白的多樣性，希望能夠找到一些有潛力促成更強大工具的新變種。”
經(jīng)過嚴格的測試，證實只有來自金黃色葡萄球菌的Cas9在哺乳動物細胞中的DNA切割效率與SpCas9相當(dāng)。該研究小組隨后利用了由卡羅林斯卡學(xué)院的Nicola Crosetto和法蘭克福歌德大學(xué)的Ivan Dikic開發(fā)的一種方法BLESS，來確定了整個基因組空間中存在的意外的“脫靶”情況。再一次證實了SaCas9和SpCas9具有相當(dāng)?shù)腄NA靶向精確度。
研究利用AAV/SaCas9介導(dǎo)靶向一種有前景的藥物靶點PCSK9，證實了它的體內(nèi)基因編輯能力。在人體內(nèi)PCSK9喪失與心血管疾病風(fēng)險降低及LDL膽固醇水平下降相關(guān)聯(lián)。在小鼠模型中，研究人員觀察到給予AAV/SaCas9后一周血液中的PCKS9幾乎完全耗盡，總膽固醇下降40%。小鼠未表現(xiàn)出明顯的炎癥或免疫反應(yīng)跡象。
研究的共同第一作者Fei Ann Ran說：“盡管我們在這一原理證明研究中選擇的是治療相關(guān)靶點PCSK9，我們的更大目標(biāo)是開發(fā)出通用、高效的系統(tǒng)來擴大我們在體內(nèi)編輯基因組的能力。”
更廣泛來說，SaCas9預(yù)計將提高科學(xué)家們利用動物模型篩查突變效應(yīng)的能力，更好地了解基因功能。在未來，或許可以改造它來實現(xiàn)靶向基因表達調(diào)控，利用它來擴大我們對于細胞中轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控的認識。
資深作者張鋒說，下一步是比較兩種Cas9s，希望能夠發(fā)現(xiàn)一些進一步優(yōu)化這一系統(tǒng)的方法。
張鋒說：“這一研究突顯了利用比較基因組分析來擴展CRISPR-Cas9工具箱的能力。我們的長期目標(biāo)是將CRISPR開發(fā)為一種治療平臺。這一新的Cas9為擴大我們的Cas9清單，幫助我們構(gòu)建出更好的疾病模型，鑒別出一些機制，以及開發(fā)出新療法提供了一個支架。”
最早在細菌中被發(fā)現(xiàn)，CRISPR-Cas9系統(tǒng)能夠切割DNA，充當(dāng)了對抗病毒感染的一個重要防御機制。盡管許多的微生物物種都擁有這一系統(tǒng)，研究人員優(yōu)先選擇改造了來自化膿鏈球菌的Cas9酶（SpCas9）來改變高等生物的DNA，并已成為一系列高度通用的基因組修飾技術(shù)的基礎(chǔ)。
要想擾亂成體動物中的基因，必須要利用一些載體將CRISPR-Cas9系統(tǒng)的關(guān)鍵元件導(dǎo)入到細胞中。由于不會引起人類疾病并已在歐洲獲得臨床監(jiān)管機構(gòu)的批準(zhǔn)，腺相關(guān)病毒（AAV）被視為是最有前景的候選載體之一。然而，AAV微小的負載能力使得同時包裝SpCas9酶和其他基因編輯必需的元件進入到單個病毒顆粒中成為一個挑戰(zhàn)。
新研究工作介紹了一種來自金黃色葡萄球菌的Cas9核酸酶（SaCas9），它比SpCas9小25%，從而為AAV的包裝問題提供了一個解決方案。
Broad研究所核心成員、麻省理工學(xué)院McGovern腦研究所研究員張鋒（Feng Zhang）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，與麻省理工學(xué)院教授Phillip Sharp及國家生物技術(shù)信息中心的Eugene Koonin合作，著手鑒別出了一種更小的Cas9酶，它既可以復(fù)制當(dāng)前SpCas9系統(tǒng)的效率，并且容許包裝到諸如AAV一類的載體中。研究人員一開始利用比較基因組學(xué)分析了來自600多種不同類型細菌的Cas9s，選擇了6個較小的酶進行進一步研究。
Koonin說：“通過篩查600個左右可獲得的Cas9序列，我們發(fā)現(xiàn)了一組酶結(jié)構(gòu)域是完整的，而非酶部分被大大截短的小變異體。幸運的是，其中一個較小的Cas9蛋白被證實適合開發(fā)論文描述的這種方法。我們現(xiàn)正在積極地探索Cas9和相關(guān)蛋白的多樣性，希望能夠找到一些有潛力促成更強大工具的新變種。”
經(jīng)過嚴格的測試，證實只有來自金黃色葡萄球菌的Cas9在哺乳動物細胞中的DNA切割效率與SpCas9相當(dāng)。該研究小組隨后利用了由卡羅林斯卡學(xué)院的Nicola Crosetto和法蘭克福歌德大學(xué)的Ivan Dikic開發(fā)的一種方法BLESS，來確定了整個基因組空間中存在的意外的“脫靶”情況。再一次證實了SaCas9和SpCas9具有相當(dāng)?shù)腄NA靶向精確度。
研究利用AAV/SaCas9介導(dǎo)靶向一種有前景的藥物靶點PCSK9，證實了它的體內(nèi)基因編輯能力。在人體內(nèi)PCSK9喪失與心血管疾病風(fēng)險降低及LDL膽固醇水平下降相關(guān)聯(lián)。在小鼠模型中，研究人員觀察到給予AAV/SaCas9后一周血液中的PCKS9幾乎完全耗盡，總膽固醇下降40%。小鼠未表現(xiàn)出明顯的炎癥或免疫反應(yīng)跡象。
研究的共同第一作者Fei Ann Ran說：“盡管我們在這一原理證明研究中選擇的是治療相關(guān)靶點PCSK9，我們的更大目標(biāo)是開發(fā)出通用、高效的系統(tǒng)來擴大我們在體內(nèi)編輯基因組的能力。”
更廣泛來說，SaCas9預(yù)計將提高科學(xué)家們利用動物模型篩查突變效應(yīng)的能力，更好地了解基因功能。在未來，或許可以改造它來實現(xiàn)靶向基因表達調(diào)控，利用它來擴大我們對于細胞中轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控的認識。
資深作者張鋒說，下一步是比較兩種Cas9s，希望能夠發(fā)現(xiàn)一些進一步優(yōu)化這一系統(tǒng)的方法。
張鋒說：“這一研究突顯了利用比較基因組分析來擴展CRISPR-Cas9工具箱的能力。我們的長期目標(biāo)是將CRISPR開發(fā)為一種治療平臺。這一新的Cas9為擴大我們的Cas9清單，幫助我們構(gòu)建出更好的疾病模型，鑒別出一些機制，以及開發(fā)出新療法提供了一個支架。”
(來源：生物通)
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