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华人学者张锋开发出第三个可用于人类基因组编辑的系统

  日期:2019-01-23  来源:基因谷


1月23日凌晨,顶级学术期刊《自然》(Nature)子刊《自然-通讯》(Nature communications)在线发表了发表的最新成果:来自哈佛-麻省理工学院博德研究所(Broad Institute)的科学家张锋及其同事开发了第三个可以编辑人类细胞基因组的CRISPR-Cas系统。  


2013年,博德研究所的张锋等科学家首次报道了CRISPR-Cas9系统在哺乳动物基因组编辑中的应用,随后成为生命科学领域最炙手可热的基因编辑技术。然而,科学家仍在不断改善基因编辑系统,使其更简单、更精确、更便于人类基因治疗的应用。


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。


首先包括由美国加州大学伯克利分校Jennifer Doudna、瑞典于默奥大学Emmanuelle Charpentier和张锋等实验室在2013年前后报道的Cas9系统。这些团队利用Cas9系统有效地实现了哺乳动物基因组的编辑,并带动了基因编辑领域的迅猛发展。但Cas9并非Cas蛋白家族中唯一一种RNA导向的核酸内切酶。


2015年9月,张锋等人在《细胞》(Cell)杂志发表论文,发现并改造的Cas12a系统,可能将克服CRISPR-Cas9系统应用中的一些限制。例如,Cpf1酶比标准的Cas9要小,更容易进入组织和细胞;Cpf1剪切时离识别位点很远,让研究人员在编辑位置的选择上有了更多的选择等。


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科学家还一直将目标锁定在V型CRISPR效应蛋白Cas12b,该蛋白比Cas9或Cas12a更小,更容易通过病毒载体实现细胞间递送。张锋等人在论文中提到,Cas12b一直未被成功应用于基因组编辑,这其中至少有一部分原因是它嗜高温的特性。性能最佳的Cas12b来自一种嗜酸耐热菌(Alicyclobacillus acidoterrestris),但它作为DNA内切酶的最佳活性需要高达48℃,限制了在哺乳动物细胞中的应用。


张锋及其同事此番对Cas12b进行了研究。研究团队首先在27个V–B型Cas12b蛋白家族中寻找适应常温的成员。最终,研究团队从一种叫做Bacillus hisashii的细菌中鉴定出了在人体体温(37℃时)能保持核酸酶活性的BhCas12b。并且,研究人员还通过优化调整指导RNA(sgRNA)的序列,使BhCas12b在细胞内的切割效率大幅提升了30倍,增强了其在人体体温(37°C)下的活性。


虽然能在人体细胞内发挥作用了,但原始结构的Cas12b还存在另一个问题。体外实验发现,Cas12b会切割双链DNA中的非靶标单链。同时,错误率会随着温度的降低而增加。


为解决这一问题,研究团队对Cas12b重新进行了设计。研究人员通过点突变,得到了重新设计的新Cas12b,让酶的活性位点更容易和DNA靶序列接近。与Cas9相比,重新设计的Cas12b在细胞培养实验中对靶序列具有更高的特异性。


研究团队最后通过通过实验证明,对随机引入插入缺失的分析结果显示,新开发的 Cas12b的编辑效率与Cas9和Cas12a相当、甚至更高;同时,和常用的Cas9相比较,Cas12b导致的错误插入缺失都要少很多,脱靶效应显著降低。


张锋等人在论文中提到,想要将Cas12b改造成和Cas9一样应用广泛的工具,还有很多后续工作要做,但第三个潜在基因组编辑系统的出现会给研究人员更多选择。


值得一提的是,2018年11月27日,中科院动物研究所李伟等人在Cell Discovery杂志发表研究论文,早于张锋等人鉴定出了一个名为Cas12b的新CRISPR基因编辑系统,来自酸性脂环酸芽孢杆菌(AaCas12b)的Cas12b可以在31 °C–59 °C温度范围内对哺乳动物基因组进行编辑,且具有更低的脱靶性,更适用于临床基因治疗。该研究团队已于一年多前提交了专利申请,并正在开发这项技术在基因治疗中的应用。



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