Nature重大突破：用新型高效Cas9實現基因組編輯

日期：2015-04-03 08:54:13

來自哈佛-麻省理工Broad研究所、麻省理工學院和國立衛生研究院國家生物技術信息中心的研究人員，在一項合作研究中發現了一種高效的Cas9核酸酶，攻克了體內基因組編輯面臨的一個主要挑戰。發表在《自然》（Nature）雜志上的研究結果，預計將有助于CRISPR工具箱更容易地應用于體內實驗和治療用途。

最早在細菌中被發現，CRISPR-Cas9系統能夠切割DNA，充當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，研究人員優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的基礎。

要想擾亂成體動物中的基因，必須要利用一些載體將CRISPR-Cas9系統的關鍵元件導入到細胞中。由于不會引起人類疾病并已在歐洲獲得臨床監管機構的批準，腺相關病毒(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。

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、麻省理工學院McGovern腦研究所研究員張鋒（Feng Zhang）領導的研究小組，與麻省理工學院教授Phillip Sharp及國家生物技術信息中心的Eugene Koonin合作，著手鑒別出了一種更小的Cas9酶，它既可以復制當前SpCas9系統的效率，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，我們發現了一組酶結構域是完整的，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論文描述的這種方法。我們現正在積極地探索Cas9和相關蛋白的多樣性，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。該研究小組隨后利用了由卡羅林斯卡學院的Nicola Crosetto和法蘭克福歌德大學的Ivan Dikic開發的一種方法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具有相當的DNA靶向精確度。

研究利用AAV/SaCas9介導靶向一種有前景的藥物靶點PCSK9，證實了它的體內基因編輯能力。在人體內PCSK9喪失與心血管疾病風險降低及LDL膽固醇水平下降相關聯。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%。小鼠未表現出明顯的炎癥或免疫反應跡象。