讓CRISPR從“基因魔剪”變身“瑞士軍刀”！亓磊開發(fā)出新型迷你CRISPR，更小更強(qiáng)更高效

劉得光3p6n6zqq 2021-09-10

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當(dāng)你可以用一把瑞士軍刀獲得更多的功能時(shí)，又何必執(zhí)著于優(yōu)化一把稍顯笨重的剪刀呢？

2021年9月3日，斯坦福大學(xué)亓磊團(tuán)隊(duì)在 Cell 子刊 Molecular Cell 上發(fā)表了一篇題為：Engineered miniature CRISPR-Cas system for mammalian genome regulation and editing的研究論文。

研究團(tuán)隊(duì)重編程設(shè)計(jì)了一款全新的迷你CRISPR系統(tǒng)——CasMINI，它就像“瑞士軍刀”一般，小巧玲瓏卻又功能眾多，更容易傳遞到哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，因此可以更好地應(yīng)用于CRISPR基因編輯的臨床治療。

CRISPR基因編輯技術(shù)自問世以來，就表現(xiàn)出其他基因編輯技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，并深刻改變了基因編輯領(lǐng)域乃至整個(gè)生命科學(xué)的研究模式。然而，現(xiàn)有的CRISPR系統(tǒng)的效應(yīng)蛋白往往具有較大的分子量，它們巨大的體積限制了向細(xì)胞內(nèi)的輸送，從而阻礙了臨床應(yīng)用。

例如，腺相關(guān)病毒（AAV）作為一種廣泛應(yīng)用于體內(nèi)遞送的載體，其有效載荷的包裝能力有限（<4.7kb），而許多CRISPR系統(tǒng)均超出了這一限制。因此，迫切需要設(shè)計(jì)高效、緊湊的CRISPR-Cas系統(tǒng)，以促進(jìn)下一代基因組工程應(yīng)用。

該研究的通訊作者、斯坦福大學(xué)助理教授亓磊表示：“就目前的情況來看，只有不到1%的CRISPR基因編輯技術(shù)能夠在人類細(xì)胞中發(fā)揮作用，因?yàn)樗鼈兲蠖贿m合。如今，我們新開發(fā)的迷你CRISPR系統(tǒng)——CasMINI可以幫助構(gòu)建更好的殺死腫瘤的淋巴細(xì)胞、重組干細(xì)胞，或者治療更多眼睛、肌肉或肝臟的遺傳疾病。”

本研究的模式圖

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過測序分析，找到了一種分子量大小不到目前使用的CRISPR系統(tǒng)（例如Cas9或Cas12a）一半的新型Cas效應(yīng)蛋白——V-F Cas12f（Cas14）。亓磊等人認(rèn)為Cas12f可能是滿足AAV遞送的最優(yōu)解。

然而，之前的研究表明Cas12f在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的基因編輯效率并不高。因此，研究團(tuán)隊(duì)通過sgRNA設(shè)計(jì)和蛋白質(zhì)工程對Cas12f進(jìn)行了優(yōu)化和修補(bǔ)，并以之為藍(lán)本構(gòu)建出一個(gè)高效的微型Cas系統(tǒng)——CasMINI。

研究團(tuán)隊(duì)對Cas12f進(jìn)行了優(yōu)化和修補(bǔ)，設(shè)計(jì)出CasMINI

進(jìn)一步的研究顯示，CasMINI系統(tǒng)在基因激活方面具有與Cas12a相當(dāng)?shù)幕钚?，且具有高度特異性?/strong>

亓磊表示：“如果之前有人認(rèn)為Cas9是分子剪刀，那么我們在這里創(chuàng)造了一款具有多種功能的瑞士軍刀。它并不像Cas9或Cas12a那么龐大，而是一個(gè)微型的、高度便攜且易于使用的新工具！”

CasMINI在基因激活方面具有與Cas12a相當(dāng)?shù)幕钚?br>

十分有意義的是，這是第一個(gè)通過蛋白質(zhì)工程將無法在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中工作的CRISPR轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒ぷ鞯腃RISPR的研究。此外，研究人員還表示，與Cas9的1368個(gè)氨基酸相比，CasMINI僅有529個(gè)氨基酸，可以更好地適合于多種可用的傳遞系統(tǒng)，如AAV包裝、脂質(zhì)納米顆?；蚱渌鸕NA遞送方式。

當(dāng)然，目前CasMINI還處于起步階段，后續(xù)仍需要更多的研究工作來優(yōu)化它的堿基序列以進(jìn)一步增強(qiáng)其基因編輯效率。研究小組計(jì)劃對該系統(tǒng)進(jìn)行體內(nèi)基因治療試驗(yàn)，并申請了臨時(shí)專利。

亓磊表示：“我們對CasMINI抱有厚望，它將成為治療遺傳疾病、癌癥和逆轉(zhuǎn)器官退化的一種全新療法！”

CasMINI在哺乳細(xì)胞中具有高度特異性

總而言之，亓磊團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種迷你但高效的基因編輯新工具——CasMINI，它的分子量不到Cas9或Cas12a的一半，卻擁有與Cas12a相當(dāng)?shù)木庉嫽钚院透叨忍禺愋?/strong>。

通過將CasMINI與AAV病毒和脂質(zhì)納米顆粒等遞送系統(tǒng)相結(jié)合，未來將發(fā)展出能廣泛應(yīng)用于人體基因編輯的臨床治療方法，為癌癥、遺傳病和罕見病患者帶來新的希望。

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關(guān)于亓磊——被忽視的CRISPR先驅(qū)

亓磊

亓磊，1983年出生于山東省濰坊市，本科畢業(yè)于清華大學(xué)，在加州大學(xué)伯克利分校讀碩士期間師從諾貝爾物理獎(jiǎng)得主朱棣文教授，碩士畢業(yè)后，在朱棣文的建議下，亓磊從物理學(xué)跨專業(yè)進(jìn)入生物工程領(lǐng)域，跟隨諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、CRISPR先驅(qū)Jennifer Doudna教授研究CRISPR基因編輯。

亓磊在CRISPR基因編輯領(lǐng)域可以稱得上是碩果累累，他最早開發(fā)出了不切割DNA雙鏈的dCas9，并在此基礎(chǔ)上推出了CRISPRa（基于CRISPR的基因轉(zhuǎn)錄激活）和CRISPRi（基于CRISPR的基因轉(zhuǎn)錄抑制），還開發(fā)了在活體組織中精準(zhǔn)呈現(xiàn)基因組序列的基因成像工具CRISPR Imaging，以及對三維基因組進(jìn)行空間重排和定位的基因定位技術(shù)CRISPR-GO。

他的這些研究成果，極大地?cái)U(kuò)展了基因編輯工具包，讓CRISPR基因編輯從“基因魔剪”變成了“瑞士軍刀”，大大增加了CRISPR基因編輯的應(yīng)用范圍。

除了取得眾多科研成果外，亓磊還參與創(chuàng)立了兩家生物公司——Epicrispr Biotechnologies 和 Refuge Biotechnologies。前者目前尚處于隱身狀態(tài)，后者為CAR-T細(xì)胞治療公司，通過CRISPRa和CRISPRi技術(shù)提高CAR-T對腫瘤的治療潛力，預(yù)計(jì)將于今年進(jìn)行首個(gè)臨床試驗(yàn)。

論文鏈接：

https://www./molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00648-1

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