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文章来源: 澎湃新闻、科技聚焦       发布时间:2019-02-12

日前,美国加州大学伯克利分校Jennifer Doudna作为通讯作者之一在无需申请自动送彩金68顶级学术期刊《自然》(Nature)杂志发表一项最新研究:一种新型的小型CRISPR基因编辑工具CasX,CasX与蛋白Cas9较为相似,但比Cas9小很多。这是时隔7年之后,Doudna再次开发出新型基因编辑工具,或可和此前的Cas9形成有力竞争。


Nature:新型CRISPR基因编辑工具CasX问世 或可与Cas9竞争


实际上,CasX是细菌和人类细胞中潜在的一种有效基因编辑工具,其似乎是在细菌中进化出的独立于其它Cas蛋白的一种特殊蛋白,CasX能够切割双链DNA,结合DNA并调节基因的表达,同时还能靶向作用特殊的DNA序列。由于CasX来自于细菌细胞中,因此相比Cas9而言,人类机体免疫系统或许能够更加容易地接纳CasX。


2012年6月, Doudna率先拉开第三代基因编辑技术CRISPR-Cas9的大幕,但在随后的专利竞争中,一度被麻省理工学院和哈佛大学的博德研究所(Broad Institute)张锋团队占尽优势。


Nature:新型CRISPR基因编辑工具CasX问世 或可与Cas9竞争

领导此项工作的是基因编辑领军人物之一的Jennifer Doudna教授


CasX由Doudna和加州大学伯克利分校另一名科学家Jill Banfield两年前在一些无需申请自动送彩金58上最小的细菌中发现,这种蛋白质与Cas9类似,但比Cas9小得多:如果你想把基因编辑器植入细胞,这是一个很大的优势。


所谓的CRISPR本身是一种防御系统,用以保护细菌和古细菌细胞不受病毒的侵害。这些生物基因组中的CRISPR位点能表达与入侵病毒基因组序列相匹配的小分子RNA,当细菌等感染了病毒,CRISPR RNA就能通过互补序列结合病毒基因组,并表达CRISPR相关酶,也就是Cas,这些核酸内切酶能切割病毒DNA,从而瓦解病毒攻击。


科学家将这套系统搬用到非细菌细胞中,实现对DNA核苷酸序列进行删除、插入等精确的编辑操作。目前,CRISPR系统中两类效应蛋白家族Cas9和Cas12a(又称为Cpf1)已被成功改造成哺乳动物及其它模式生物的基因组编辑工具。2018年12月、今年1月,中科院动物研究所李伟等人、张锋及其同事分别在Cell Discovery杂志、Nature communications发表了名为Cas12b的第三个CRISPR基因编辑系统。


尤其是最早开发的Cas9,目前已经证明自己是一个强大的基因编辑器,被广泛应用于人类、植物、动物和细菌中,能够快速准确地剪切和拼接DNA,为治疗疾病开辟新途径。


Doudna率领的研究团队此番开发出的CasX证明了在原生细菌之外也能发挥作用。其设计类似于Cas9和 “表亲”Cas12,但不同之处在于,它似乎是独立于其他Cas蛋白在细菌中进化而来的。它可以像Cas9一样切割双链DNA,可以结合DNA调节基因,也可以像其他Cas蛋白一样靶向特定的DNA序列。


此外,由于它来自于人类不存在的细菌,Banfield从地下水和沉积物中发现的微生物数据库中提取了它们,人类免疫系统应该比Cas9更容易接受它。一些医生一直在担心,在使用CRISPR治疗的患者中,Cas9可能会产生免疫反应。


“基因组编辑工具的免疫原性、传递性和特异性都至关重要。”论文的作者之一Benjamin Oakes在加州大学伯克利分校官网的一篇新闻稿中如此表示。Oakes曾在加州大学伯克利分校攻读研究生,目前是创新基因组研究所(innovation Genomics Institute)的创业研究员, “我们对CasX在所有这些领域的表现感到兴奋。”


论文第一作者Jun-Jie Liu和Natalia Orlova使用冷冻电镜捕捉到了CasX蛋白在编辑基因过程中的快照图像,基于这种蛋白质独特的分子组成和形状,研究人员得出结论,CasX的进化独立于Cas9,没有共同的祖先。

Nature:新型CRISPR基因编辑工具CasX问世 或可与Cas9竞争

▲CasX的结构组成(图片来源:参考资料[1])


CasX具有不同于此前几款Cas核酸酶的独特优点。


首先,CasX的一大重要应用特点是分子小巧。CasX只有不到1000个氨基酸,比Cas9或Cas12a都要小得多,甚至比起以分子量小为特点的新工具Cas12b(1108氨基酸),还要更胜一筹。


CasX独特的小巧结构暗示了它通过独特的机制识别和编辑底物DNA。根据冷冻电镜等结构数据,研究人员发现,CasX除了有某些与其他核酸酶成员同源的结构域外,还具有其它Cas蛋白中未曾发现的特征。比如,CasX含有一个参与DNA解螺旋的结构域,其反式切割活性也比其它Cas系统要少。


Nature:新型CRISPR基因编辑工具CasX问世 或可与Cas9竞争

▲CasX含有一个参与目标DNA解螺旋的结构域NTSB,是剪切双链DNA不可或缺的(图片来源:参考资料[1])


这些结果表明,CasX不仅小巧,还具有独特的可编程编辑方式,或许具备目前CRISPR–Cas基因组编辑技术没有的优势。


“首先值得注意的是,这些高度特异性的结构域是如何发挥类似于他们在其他RNA引导的DNA结合蛋白中所观察到的作用。CasX的最小尺寸有助于清楚地展示其在自然界中使用的基本配方。”Oakes说,“了解这个配方将帮助我们更好地进化和设计基因组编辑工具,以达到我们的目的,而不是自然的目的。”


Doudna最后表示,“我们不仅仅在寻找下一对分子剪刀,我们想制造下一把瑞士军刀。”


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