迷你CRISPR基因组编辑系统

CRISPR基因编辑的常见的比喻,它就像分子剪刀,裁剪选择的DNA片段。斯坦利气斯坦福大学的生物工程助理教授喜欢这个比喻,但他认为是时候改变CRISPR瑞士军刀。

“CRISPR可以简单如刀,或更先进的监管机构,一个编辑,贴标签机或成像仪。许多应用程序从这个令人兴奋的领域,”齐说,他也是一个化学和系统生物学助理教授斯坦福大学医学院的和一个斯坦福ChEM-H研究所的学者。

使用的许多不同的CRISPR系统或被临床检测疾病的基因治疗的眼睛,肝脏和大脑,然而,仍然有限的范围,因为它们都受到相同的缺陷:它们太大,因此,很难传递到细胞、组织或生物体。

在一篇发表在分子细胞,气和他的同事宣布他们认为是CRISPR前进了一大步:高效、多功能,迷你CRISPR系统。而常用CRISPR系统——名字Cas9和Cas12a表示各种版本的CRISPR-associated (Cas)的蛋白质,由1000到1500个氨基酸,529年“CasMINI”。

研究人员在实验中证实,CasMINI可以删除,激活和编辑遗传密码就像它更强大。规模较小的规模意味着它应该更容易传递到人体细胞和人体,使之成为一个潜在的工具用于治疗各种疾病,包括眼部疾病、器官退化和遗传疾病一般。

持久的努力

使系统尽可能小,研究者决定开始与CRISPR蛋白质Cas12f(也称为Cas14),因为它只包含400到700个氨基酸。但是,像其他CRISPR蛋白质,Cas12f自然源于古菌——单细胞有机体——这意味着它不适合哺乳动物细胞,更不用说人类细胞或身体。只有少数CRISPR已知蛋白在哺乳动物细胞没有修改工作。不幸的是,CAS12f不是其中之一。这使得工程师们像气的诱人的挑战。

“我们认为,‘好吧,数百万年的进化历程一直未能把这个CRISPR系统功能在人体的东西。我们可以改变在一或两年吗?”齐说。“据我所知,我们有,第一次,一个非职业CRISPR变成一个工作。”

事实上,怎么听徐,博士后学者气实验室和论文的主要作者,没有看到活动的自然Cas12f在人类细胞。徐和齐推测,问题是,人类基因组DNA是更复杂和更少的访问比微生物DNA,使Cas12f很难找到它的目标细胞。Cas12f通过查看计算预测结构的系统,她仔细地选择了约40突变蛋白可能绕过这个限制,建立了管道测试许多蛋白质变异。工作的变体,在理论上,把绿色通过激活人体细胞绿色荧光蛋白(GFP)的基因组。

“首先,这个系统不工作了一年,”徐说。“但是经过迭代的生物工程,我们看到一些工程蛋白质开始打开,像魔法一样。这真的让我们欣赏合成生物学和生物工程的力量。”

第一个成功的结果是温和的,但他们兴奋的徐,鼓励她去推动,因为这意味着系统工作。在许多额外的迭代,她能够进一步提高蛋白质的性能。“我们开始看到只有两个细胞显示一个绿色的信号,现在工程后,几乎每一个细胞在显微镜下是绿色的,”徐说。

“在某个时刻,我不得不阻止她,“齐回忆道。”我说“那就好。你犯了一个很好的系统。我们应该想想这个分子可用于应用程序。”

除了蛋白质工程外,研究人员还设计指南Cas蛋白质的RNA目标DNA。修改这两个组件使CasMINI系统工作的关键在人类细胞。他们测试CasMINI删除和编辑能力的基因在人类细胞实验室,包括艾滋病毒感染相关的基因,抗肿瘤免疫反应和贫血。它几乎在每个基因测试工作,在几个健壮的响应。

打开门

研究人员已经开始组装追求基因疗法与其他科学家的合作。他们也感兴趣的是他们如何能导致RNA技术的进步——就像被用于开发mRNA COVID-19疫苗——大小也可以是一个限制因素。

“这能力这些系统工程师以来一直期望在这个领域的早期CRISPR,我感觉我们做部分走向现实,”齐说。”,这个工程方法可以广泛的帮助。这就是让我兴奋,打开门新的可能性。”

参考:徐X, Chemparathy,曾庆红L,等。设计小型哺乳动物基因组CRISPR-Cas系统监管和编辑。摩尔细胞。2021年。doi:10.1016 / j.molcel.2021.08.008。

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