生物工程师将一种“无法正常工作”的CRISPR系统重新利用，制成了基因组工程工具的小型版本。
这项新技术可能使其更容易递送至人体细胞中，用于基因治疗。
人们常用来比喻CRISPR的说法是，它就像一把分子剪刀。
生物工程师将一种“无法正常工作”的CRISPR系统重新利用，制成了基因组工程工具的小型版本。
其体积小巧，应能更便于将其递送至人体细胞、组织和人体内，用于基因治疗。
人们常用来比喻CRISPR基因编辑的说法是，它的作用如同分子剪刀，能剪切出DNA的特定片段。斯坦利·齐（Stanley Qi）很认可这一比喻，但认为是时候将CRISPR重新想象为一把瑞士军刀了。
“CRISPR既可以简单地只作为切割工具，也可以发挥更高级的作用，如调控器、编辑器、标记器或成像器。这一令人兴奋的领域正在涌现出许多应用，”斯坦福大学生物工程学和斯坦福医学院化学与系统生物学助理教授齐说。
目前，许多不同的CRISPR系统在眼部、肝脏和大脑疾病的基因治疗中已被使用或正在进行临床测试，但由于它们都存在同一缺陷，其应用范围仍然有限：体积过大，因此很难递送至细胞、组织或活体生物中。
在一篇发表于Molecular Cell的论文中，齐及其合作者描述了他们认为是CRISPR重大进展的成果：一种高效、多用途的微型CRISPR系统。常用的CRISPR系统（如Cas9和Cas12a等名称指代不同版本的CRISPR相关（Cas）蛋白）由约1000至1500个氨基酸组成，而他们的“CasMINI”仅有529个。
研究人员在实验中证实，CasMINI能够像其体积更大的同类一样删除、激活和编辑基因密码。其较小的体积意味着它应能更便于递送至人体细胞和人体内，使其成为治疗多种疾病的潜在工具，包括眼部疾病、器官退化以及一般性遗传疾病。
为使该系统尽可能小型化，研究人员决定从CRISPR蛋白Cas12f（又称Cas14）入手，因为它仅包含约400至700个氨基酸。然而，与其他CRISPR蛋白一样，Cas12f天然来源于古菌——一类单细胞生物——这意味着它不太适合哺乳动物细胞，更不用说人类细胞或人体了。目前已知只有少数CRISPR蛋白无需改造即可在哺乳动物细胞中发挥作用。遗憾的是，CAS12f并不在其列。这使其成为齐这类生物工程师颇具吸引力的挑战。
“我们当时想：‘好吧，数百万年的进化都未能使这种CRISPR系统在人体内发挥作用。我们能否在短短一两年内改变这一点？’”齐说，“据我所知，我们首次将一种无法工作的CRISPR变成了可以工作的CRISPR。”
事实上，齐实验室的博士后学者、该论文的第一作者徐晓舒观察到，天然Cas12f在人类细胞中没有任何活性。徐和齐推测，问题在于人类基因组DNA比微生物DNA更为复杂，可及性更低，因此Cas12f很难在细胞中找到其靶点。
通过研究Cas12f系统的计算预测结构，她谨慎地选择了蛋白质中约40处突变，这些突变可能绕过这一限制，并建立了一套可同时测试多种蛋白变体的流程。理论上，有效的变体会通过激活其基因组中的绿色荧光蛋白（GFP），使人类细胞发出绿色荧光。
“起初，这个系统一整年都完全不起作用，”徐说，“但经过生物工程的反复改进，我们看到一些经过改造的蛋白开始像变魔术一样被激活。这让我们真正体会到合成生物学和生物工程的力量。”
最初取得的成功结果并不显著，但它们令徐备受鼓舞，并促使她继续推进，因为这表明该系统确实能够工作。经过许多轮后续迭代，她得以进一步提升蛋白质的性能。“我们最初只看到两个细胞显示绿色信号，而经过改造后，在显微镜下几乎每个细胞都呈绿色，”徐说。
“在某个时刻，我不得不让她停下来，”齐回忆道，“我说：‘目前已经足够好了。你已经做出了一个相当不错的系统。我们应该考虑如何将这种分子用于实际应用了。’”
除蛋白质工程外，研究人员还对引导Cas蛋白找到其靶标DNA的RNA进行了改造。对这两个组成部分的修饰对于使CasMINI系统在人类细胞中发挥作用至关重要。他们在实验室培养的人类细胞中测试了CasMINI删除和编辑基因的能力，涉及的基因包括与HIV感染、抗肿瘤免疫反应以及贫血相关的基因。该系统几乎对他们测试的每一个基因都有效，其中数个基因的响应尤为强烈。
研究人员已开始与其他科学家合作，推进基因疗法的研究。他们还有兴趣探索如何为RNA技术的进步做出贡献——例如用于开发mRNACOVID-19疫苗的技术，在该领域中，体积同样可能成为限制因素。
“这种改造这些系统的能力自CRISPR诞生之初就已被该领域所期待，我觉得我们为实现这一目标尽了自己的一份力，”齐说，“而且这种工程化方法可以带来极为广泛的帮助。这正是让我兴奋的地方——为新的可能性打开大门。”
这项研究由李嘉诚基金会资助。
来源：斯坦福大学
