CRISPR是細(xì)菌用來保護(hù)自己免受病毒侵害的一種免疫系統(tǒng)，科學(xué)家們利用它的強(qiáng)大功能編輯細(xì)胞內(nèi)的遺傳信息。事實上，美國食品和藥物管理局最近批準(zhǔn)了第一種基于 CRISPR 的療法，用在 2023 年 12 月治療鐮狀細(xì)胞病。這種療法基于一種經(jīng)過深入研究的系統(tǒng)，即 CRISPR-Cas9 基因剪刀。
然而，一種更新、更獨特的平臺，即I型CRISPR或CRISPR-Cas3，具有進(jìn)行大尺寸DNA切除的潛力，正在等待潛在的治療用途。
密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系助理教授Yan Zhang博士及其康奈爾大學(xué)的合作者進(jìn)行了一項新研究，開發(fā)出了有助于提高I-C/Cas3型基因編輯器安全性的關(guān)閉開關(guān)。
這項研究發(fā)表在《分子細(xì)胞》雜志上。
Zhang團(tuán)隊利用細(xì)菌和感染它們的病毒(噬菌體)之間的軍備競賽，從抗CRISPR蛋白中開發(fā)出CRISPR關(guān)閉開關(guān)，噬菌體已經(jīng)進(jìn)化出對抗細(xì)菌CRISPR免疫的抗CRISPR蛋白。
抑制Cas9的抗CRISPR蛋白已在實驗環(huán)境中用于減少CRISPR的“脫靶”效應(yīng)。這種影響是由于Cas9作用于身體或基因組的非預(yù)期的非目標(biāo)部分，并進(jìn)行不希望的編輯，這可能導(dǎo)致諸如癌癥風(fēng)險增加等不利結(jié)果。
“當(dāng)使用CRISPR-Cas9編輯人類基因組時，提供抑制蛋白可以幫助減輕脫靶效應(yīng)并提高安全性，這是因為當(dāng)CRISPR試劑過量或它們在細(xì)胞中停留時間過長時，往往會發(fā)生脫靶。應(yīng)用抑制劑來限制CRISPR作用的數(shù)量或持續(xù)時間已被證明可以有效地減少脫靶編輯，同時保持靶編輯。”Zhang說。
Zhang團(tuán)隊著手開發(fā)一種強(qiáng)大的關(guān)閉開關(guān)，用于他們之前從乳酸菌中發(fā)現(xiàn)的高效Cas3系統(tǒng)，乳酸菌是一種無害地生活在人類上呼吸道的細(xì)菌。他們篩選了所有已知的抗CRISPRs，這些抗CRISPRs被報道為來自不同細(xì)菌有機(jī)體的其他Cas3變體的抑制劑，他們發(fā)現(xiàn)兩個：AcrIC8和AcrIC9，對Neisseria Cas3具有很強(qiáng)的交叉反應(yīng)作用。
接下來，研究小組想要更多地了解它們是如何工作的，因為“它們的工作原理將為每種抗CRISPR技術(shù)能控制哪種基于Cas3的技術(shù)提供信息，”Zhang說。
通過密歇根大學(xué)的遺傳和生化研究以及康奈爾大學(xué)的低溫電鏡分析，他們在分子水平上確定了AcrlC8和AcrlC9的作用機(jī)制和結(jié)構(gòu)。新研究報告說，這兩種蛋白質(zhì)都能阻止CRISPR-Cas3機(jī)器與DNA靶位點結(jié)合，但機(jī)制略有不同。
Zhang說:“從Ke Ailong實驗室的工作來看，在原子水平上看到這一點確實令人驚訝，他們采用了一種非常明確的策略——與DNA競爭，與Cas機(jī)制結(jié)合，這是一種非常有效的阻斷Cas蛋白功能的方法。”
最后，Zhang團(tuán)隊提供了關(guān)鍵的概念驗證證據(jù)，證明這些抗CRISPR蛋白中的每一種都可以作為人類細(xì)胞中CRISPR-Cas3的關(guān)閉開關(guān)。它們幾乎可以完全阻斷兩種版本的CRISPR-Cas3技術(shù)，一種用于大基因組刪除，另一種用于基因激活，這使它們成為任何CRISPR-Cas3基因編輯器開發(fā)的第一個關(guān)閉開關(guān)。
“帶有關(guān)閉開關(guān)的Cas3將是一種更安全的基因工程方法。”她的實驗室計劃與密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院的同事合作，利用新發(fā)現(xiàn)的關(guān)閉開關(guān)，進(jìn)一步開發(fā)基于CRISPR-Cas3的治療方法，用于治療各種人類疾病。
康奈爾大學(xué)博士Chunyi Hu和密歇根大學(xué)博士生Mason Myers是該手稿的第一作者。“看到Mason作為一名嶄露頭角的年輕科學(xué)家飛速成長，我感到非常欣慰。作為我組的一名三年級博士生，他已經(jīng)表現(xiàn)出了很大的潛力。”Zhang說。
注：康奈爾大學(xué)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)柯愛龍博士，和Robert J. Appel教授是本文的共同通訊作者。
原文標(biāo)題：
Exploiting Activation and Inactivation Mechanisms in Type I-C CRISPR-Cas3 for 3 Genome Editing Applications
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-1） | 
