麻省理工科学家发现“升级版”Cas9酶

CRISPR基因组编辑系统已成为医学研究中非常重要的工具，并最终可能在农业、生物能源和粮食安全等领域产生重大影响。然而，尽管基因编辑工具取得了相当大的成功，但CRISPR-Cas9在基因组上的编辑范围仍然有限。  

CRISPR-Cas9系统需要Cas9酶在引导RNA（gRNA）的指引下负责切割特定的DNA序列。其中，Cas9酶依赖于靶位点侧翼的特定序列，称为原型间隔区相邻基序或PAM，以允许其识别靶位点。  

例如，最广泛使用的Cas9酶——酿脓链球菌（SpCas9）的PAM序列，需要靶位点下游的一个5'-NGG-3'基序，显著限制其可靶向的位置数量（大约是基因组上约9.9％的位点）。  

近日，麻省理工学院的科学家开发了更通用的CRISPR系统，一种PAM限制性要求更低的“升级版”Cas9酶，能靶向几乎一半的基因组序列，显著扩大了CRISPR的应用潜力。该研究于10月24日刊登在ScienceAdvance上。  

领导这项研究的JosephJacobson博士说：“CRISPR就像一个非常准确和高效的邮政系统，只要邮政编码以零结尾，你就可以到达想要去的任何地方。因此它非常准确和具体，但同时也限制了你可以去的地点数量。”  

为了开发更通用的CRISPR系统，研究人员利用了计算算法来对细菌序列进行生物信息学检索，以确定是否存在任何类似的Cas9酶，对PAM限制性要求较低。为了进行搜索，研究人员还开发了一种数据分析软件工具，他们称之为SPAMALOT（通过目标对齐搜索PAM）。  

在此之前，虽然科学家们已经对许多Cas9同源物进行了测序，但只有屈指可数的链球菌直系同源物被鉴定或功能验证。  

本次研究中，来自犬链球菌（S.canis）的Cas9酶（ScCas9）脱颖而出。ScCas9是一种高度相似的SpCas9直向同源物，与已经广泛使用的SpCas9酶非常相似，但它能够靶向其不能到达的基因位点。  

研究人员通过使用ScCas9与SpCas9，以及针对具有不同PAM序列的天然基因组基因座（VEGFA）的sgRNA共转染人胚胎肾-293T细胞（HEK293T），来比较它们在人细胞中的PAM特异性。  

进一步的研究发现，在所有含5'-NNGN-3'PAM序列的目标位点中，ScCas9-ABE单碱基编辑系统也有显著的碱基编辑效率。  

总之，ScCas9可以作为SpCas9用于哺乳动物细胞中的基因组编辑的有效替代物，它对共有的5'-NGG-3'和5'-NNGN-3'PAM序列都具有亲和力。  

这意味着，新的CRISPR系统能在基因组上开辟更多的位置，允许其靶向许多先前已经超出系统范围的疾病特异性突变。  

例如，一个典型的基因长度约为1000个碱基，如果他们的目的是简单地敲除整个基因，研究人员可以找到许多不同的定位点（PAM序列）。然而，许多疾病，例如镰状细胞性贫血，是由单一碱基的突变引起的，使得它们更难以靶向。  

研究人员对先前报道的3个SpCas9高频脱靶位点进行分析，以评估SpCas9和ScCas9对它们的修饰活性。  

ScCas9显示3种靶标的靶向活性相当，但在其中2个位点（VEGFA位点3和DNMT1位点4）上的脱靶活性可忽略不计，而在另一个位点（FANCF位点2）的脱靶比率降低近1.5倍。  

ScCas9是基础版SpCas9的变体，两者的氨基酸序列非常相似，因此预期它也很容易以重组蛋白的形式进行生产，并且可以直接受益于现在SpCas9的所有开发流程。  

Jacobson表示，希望利用他们的技术能够找到进一步扩展CRISPR系统靶向范围、并且不会降低其准确性的其他酶，从而能够追踪基因组上的每个地址。  

今年2月，CRISPR领域“大神”DavidR.Liu的团队通过改造，获得了xCas9——可以广泛识别多种PAM序列（包括NG、GAA和GAT），编辑范围至少增加了4倍，可以靶向编辑基因组的1/4区域。  

Jacobson等人表示，ScCas9扩展了目前使用的Cas9酶的基因靶向范围。随着进一步的发展，预计ScCas9和其他具有扩展靶向范围的Cas9直向同源物会扩大链球菌Cas9工具包，增强当前的CRISPR系统。  

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