Cell:首个小分子抑制剂可以精确控制CRISPR-Cas9基因编辑
2019/05/07
首次发现化脓性链球菌Cas9(SpCas9)蛋白的小分子抑制剂可以更精确地控制基于CRISPR-Cas9的基因组编辑。

自2012年“魔剪”技术出道以来,该技术一直备受争议。一些专家指出,基因编辑在很多层面上难以实现控制。近年来,科学家一直致力于开发“抗CRISPR”系统,来干扰细胞中的Cas核酸酶功能,以此来给CRISPR基因编辑技术带上一定程度的“镣铐”,规范该技术的使用操作。

如今,在美国Broad研究所开发的高通量检测方法下,这一“抗CRISPR”系统迎来了第一位成员:SpCas9(化脓性链球菌 Cas9)的小分子抑制剂。相关研究已经发表在《Cell》杂志上。


DOI:https ://doi.org/10.1016/j.cell.2019.04.009

CRISPR-Cas9与SpCas9

最新研究表明,许多基因工程技术的实施都需要依赖准确地CRISPR-Cas9系统进行有效控制才能保证基因编辑的准确有效性。而Cas9在CRISPR基因编辑技术中作为最常用DNA切割酶,十分容易引起基因组的改变。我们发现它在细菌的脓性链球菌 Cas9(SpCas9)上存在量较多。

目前SpCas9正被开发为多种疾病的基因治疗药物,包括HIV、视力障碍、肌肉萎缩症和其他遗传性疾病等。然而,治疗中不断高发的脱靶效应、染色体易位、基因毒性等副作用,让治疗手段尤其是对SpCas9的治疗剂量和时间的调控变得尤为重要。

来自美国Broad研究所的Amit Choudhary博士及其同事最终也将“抗CRISPR”的研究目光也锁定在Cas9的最初来源的脓性链球菌 Cas9(SpCas9)上。同时,他们通过一系列生化和细胞水平的测定,筛选出针对SpCas9的小分子抑制剂,使得对“抗CRISPR-Cas9”基因编辑系统有了更加行之有效的控制。


Amit Choudhary博士 图片来源:Vilcek Foundation

SpCas9小分子抑制剂的发现

在此研究之前,科学家已经发现靶向SpCas9的抗CRISPR蛋白的存在,但这类蛋白体积很大,而且不易被细胞渗透,在作用中不可逆转,还存在可能被蛋白酶降解的风险,甚至可能在哺乳动物体内造成不良免疫反应的风险。

因此,在此研究中,研究人员选取小分子作为“抗CRISPR”蛋白的新型对象,筛选出一组多样化的小分子,通过识别化合物结构来破坏SpCas9与DNA的结合,从而达到干扰SpCas9对DNA进行切割的作用。


高通量初级和二级分析

研究人员还发现,这些小分子抑制剂可以稳定地进入细胞,且比先前发现的一些抗CRISPR蛋白要小的多,同时这样的小分子抑制剂能够对SpCas9实现行动可逆,剂量可控,相对稳定且温和的控制。这样的“抗CRISPR蛋白”抑制剂的发现,对应用于哺乳动物细胞的基因编辑,碱基编辑,和表观遗传编辑具有重要意义。


SpCas9的小分子抑制剂的鉴定和验证

Amit Choudhary博士对此项研究评价道:“这些研究结果为精确控制CRISPR-Cas9活性奠定了基础。然而,这些分子抑制剂目前还没有在生物体内进行有效性测试,距离人类应用还有很长一段路要走。”

接下来,研究人员将致力于两个方向的研究:第一,确定这类抑制剂在SpCas9:gRNA复合物上的结合位点,并检查其作用机制,优化其效力。第二,确定这类分子抑制剂能否作用于哺乳动物细胞中的其他靶标,并评估它们对其他CRISPR相关核酸酶的特异性。

参考文献:

[1] A High-Throughput Platform to Identify Small-Molecule Inhibitors of CRISPR-Cas9

[2] CRISPR Under Control: Small-Molecule Inhibitors of Cas9 Identified

[3] Enhanced proofreading governs CRISPR–Cas9 targeting accuracy

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