Nature:重新设计Cas9蛋白,解决脱靶问题,让基因编辑更安全
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发布时间：2024-12-22 10:56
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CRISPR-Cas9基因编辑技术，利用向导RNA（gRNA）引导Cas9酶定位至目标DNA序列，实现DNA双链断裂与非同源末端连接（NHEJ）修复，从而进行基因编辑。然而，脱靶效应了其临床应用，因此降低脱靶概率是当前研究的热点。
2022年3月2日，美国德州大学奥斯汀分校的研究团队在Nature期刊上发表论文《Structural basis for mismatch surveillance by CRISPR–Cas9》，揭示了CRISPR-Cas9系统中脱靶的结构机制，并基于此重新设计了Cas9蛋白——SuperFi-Cas9。实验显示，SuperFi-Cas9的脱靶概率降低了数千倍，同时保持了与原始Cas9蛋白相同的编辑效率。
研究团队通过冷冻电镜观察到，当gRNA在第18-20个碱基错配时，Cas9酶通过一个手指状结构稳定了RNA-DNA双链，使其看起来像是正确配对，进而顺利进行DNA切割。这种机制使得Cas9酶在错配位点仍能进行编辑，导致脱靶效应。对此，论文第一作者Jack Bravo形象地描述为一把椅子，尽管其中一条腿断了，通过胶带固定后还能继续使用，但不够稳定。
基于这一发现，研究团队设计了SuperFi-Cas9，其手指状结构部分被改造以避免在错配时稳定DNA结构，从而减少了脱靶效应。实验结果表明，SuperFi-Cas9的脱靶概率降低了约4000倍，同时保持了与原始Cas9蛋白相同的编辑效率，显著提高了基因编辑的安全性。
其他实验室也在尝试通过重新设计Cas9来减少脱靶效应，但大多数版本在提高准确性的同时牺牲了基因编辑效率。相比之下，SuperFi-Cas9不仅降低了脱靶概率，而且保持了高效编辑DNA的能力。
目前，研究团队正在对SuperFi-Cas9在活细胞中的编辑效果进行测试，并开发更安全、更高效的Cas9新版本。同时，他们已对该技术申请专利，并与德州大学奥斯汀分校技术商业化办公室合作寻找合作伙伴，以实现技术转化应用。
除了脱靶效应，Cas9酶的尺寸也是其广泛应用的因素。为此，多个实验室正在开发尺寸更小的Cas9酶。例如，斯坦福大学亓磊团队开发的CasMINI系统，与传统CRISPR系统相比，体积更小、功能更全，更易于传递至哺乳动物细胞，适用于CRISPR基因编辑的临床治疗。
此外，CRISPR先驱Jennifer Doudna教授共同创立的基因编辑公司Mammoth Biosciences也在研究和开发小型Cas酶，包括Cas14和Casɸ。该公司已获得1.95亿美元新融资，估值超过10亿美元。
