Cell發布CRISPR/Cas9重要研究成果

日期：2016-03-01 09:02:18

來自東京大學、麻省理工學院與哈佛大學Broad研究所的研究人員，在新研究中揭示出了新兇手弗朗西絲菌Cas9(FnCas9)的結構，并利用這一結構信息對FnCas9進行改造構建出了一個變異體。研究成果發布在2月25日的《細胞》（Cell）雜志上。

京東大學醫學科學研究所基礎醫學系Osamu Nureki教授，及Nureki實驗室生物物理學和生物化學助理教授Hiroshi Nishimasu是這篇論文的共同通訊作者。Broad研究所核心成員張鋒（Feng Zhang）博士是這篇論文的合著作者。2014年2月，張鋒曾與Nureki教授聯手合作生成了CRISPR/Cas系統關鍵組成部分——Cas9復合體的第一張高分辨率圖像。這一重要的研究成果發布在Cell雜志上。

來自CRISPR- Cas系統的RNA引導DNA核酸內切酶Cas9，可以結合雙RNA導向序列crRNA （CRISPR RNA）和tracrRNA（trans-activating RNA)，或合成的單導向RNA(sgRNA)，切割與導向RNA互補的雙鏈靶DNA。當前有幾種Cas9直系同源物，例如化膿性鏈球菌Cas9 (SpCas9)和金黃色葡萄球菌Cas9 (SaCas9)已被利用于真核生物細胞中實現基因組編輯。科學家們還在致力不斷地改進這些技術。

在發表于2015年11月Nature Biotechnology雜志上的一篇研究論文中，研究小組報告稱演化出了SaCas9的一種變體，它能夠識別更廣泛的核苷酸序列，靶向以往CRISPR-Cas9技術無法觸及的基因組位點。

2015年12月，張鋒領導麻省理工學院-哈佛醫學院Broad研究所和麻省理工學院McGovern腦研究所的研究人員，設計改造了革命性的CRISPR-Cas9基因編輯系統，大大減少了“脫靶”編輯錯誤。這一完善的技術解決了使用基因組編輯時面對的一個主要技術問題。研究論文發表在Science雜志上。

除了要求RNA-DNA互補配對，Cas9識別和切割DNA還需要在靶DNA序列的鄰近下游存在“PAM”（ protospacer adjacent motif）的短DNA序列，由此限制了Cas9介導基因組編輯可靶向序列的范圍。來自不同微生物的Cas9直系同源物識別不同的PAM序列，SpCas9和SaCas9分別識別5′-NGG-3′和5′-NNGRRT-3′ PAMs。

Cas9直系同源物的長度和序列具有高度的差異，氨基酸殘基的數量在大約900-1600之間，FnCas9是最大的成員之一。FnCas9包含1,629個氨基酸，相比于其他的Cas9直系同源物如SpCas9 (1,368個氨基酸)和SaCas9 (1,053個氨基酸)要大得多。值得注意地是，以往的一項研究報道FnCas9不僅可以介導crRNA:tracrRNA依賴性DNA切割，還可介導scaRNA（小CRISPR/Cas相關RNA）:tracrRNA依賴的基因表達調控。但目前對于FnCas9執行其雙重功能的機制仍不清楚。此外，也尚未探索FnCas9在基因組編輯應用中的潛力。

在這篇Cell新文章中研究人員報告稱，獲得了FnCas9–sgRNA–靶DNA復合物的晶體結構，分辨率達到1.7 埃（Å）。通過比較FnCas9和其他Cas9直系同源物SpCas9 與SaCas9，揭示出了親緣關系遙遠的CRISPR-Cas9系統之間的保守特征及驚人的結構差異。他們發現FnCas9識別的是5′-NGG-3′ PAM，并利用這一結構信息構建出了一個識別5′-YG-3′ PAM的Cas9異構體。此外，研究人員證實可以將預組裝的FnCas9–sgRNA核糖核蛋白(RNP)復合物通過顯微注射到小鼠受精卵中編輯具有5′-YG-3′ PAM的內源性位點，由此擴大了CRISPR-Cas9工具箱的靶向空間。