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让CRISPR从“基因魔剪”变身“瑞士军刀”！亓磊开发出新型迷你CRISPR，更小更强更高效

2021

09/10

生物世界

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当你可以用一把瑞士军刀获得更多的功能时，又何必执着于优化一把稍显笨重的剪刀呢？

撰文 | nagashi

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

当你可以用一把瑞士军刀获得更多的功能时，又何必执着于优化一把稍显笨重的剪刀呢？

2021年9月3日，斯坦福大学亓磊团队在 Cell 子刊 Molecular Cell 上发表了一篇题为：Engineered miniature CRISPR-Cas system for mammalian genome regulation and editing的研究论文。

研究团队重编程设计了一款全新的迷你CRISPR系统——CasMINI，它就像“瑞士军刀”一般，小巧玲珑却又功能众多，更容易传递到哺乳动物细胞中，因此可以更好地应用于CRISPR基因编辑的临床治疗。

CRISPR基因编辑技术自问世以来，就表现出其他基因编辑技术无可比拟的优势，并深刻改变了基因编辑领域乃至整个生命科学的研究模式。然而，现有的CRISPR系统的效应蛋白往往具有较大的分子量，它们巨大的体积限制了向细胞内的输送，从而阻碍了临床应用。

例如，腺相关病毒（AAV）作为一种广泛应用于体内递送的载体，其有效载荷的包装能力有限（<4.7kb），而许多CRISPR系统均超出了这一限制。因此，迫切需要设计高效、紧凑的CRISPR-Cas系统，以促进下一代基因组工程应用。

该研究的通讯作者、斯坦福大学助理教授亓磊表示：“就目前的情况来看，只有不到1%的CRISPR基因编辑技术能够在人类细胞中发挥作用，因为它们太大而不适合。如今，我们新开发的迷你CRISPR系统——CasMINI可以帮助构建更好的杀死肿瘤的淋巴细胞、重组干细胞，或者治疗更多眼睛、肌肉或肝脏的遗传疾病。”

本研究的模式图

在这项研究中，研究团队通过测序分析，找到了一种分子量大小不到目前使用的CRISPR系统（例如Cas9或Cas12a）一半的新型Cas效应蛋白——V-F Cas12f（Cas14）。亓磊等人认为Cas12f可能是满足AAV递送的最优解。

然而，之前的研究表明Cas12f在哺乳动物细胞中的基因编辑效率并不高。因此，研究团队通过sgRNA设计和蛋白质工程对Cas12f进行了优化和修补，并以之为蓝本构建出一个高效的微型Cas系统——CasMINI。

研究团队对Cas12f进行了优化和修补，设计出CasMINI

进一步的研究显示，CasMINI系统在基因激活方面具有与Cas12a相当的活性，且具有高度特异性。

亓磊表示：“如果之前有人认为Cas9是分子剪刀，那么我们在这里创造了一款具有多种功能的瑞士军刀。它并不像Cas9或Cas12a那么庞大，而是一个微型的、高度便携且易于使用的新工具！”

CasMINI在基因激活方面具有与Cas12a相当的活性

十分有意义的是，这是第一个通过蛋白质工程将无法在哺乳动物细胞中工作的CRISPR转变为可工作的CRISPR的研究。此外，研究人员还表示，与Cas9的1368个氨基酸相比，CasMINI仅有529个氨基酸，可以更好地适合于多种可用的传递系统，如AAV包装、脂质纳米颗粒或其他RNA递送方式。

当然，目前CasMINI还处于起步阶段，后续仍需要更多的研究工作来优化它的碱基序列以进一步增强其基因编辑效率。研究小组计划对该系统进行体内基因治疗试验，并申请了临时专利。

亓磊表示：“我们对CasMINI抱有厚望，它将成为治疗遗传疾病、癌症和逆转器官退化的一种全新疗法！”

CasMINI在哺乳细胞中具有高度特异性

总而言之，亓磊团队的这项研究设计并开发了一种迷你但高效的基因编辑新工具——CasMINI，它的分子量不到Cas9或Cas12a的一半，却拥有与Cas12a相当的编辑活性和高度特异性。

通过将CasMINI与AAV病毒和脂质纳米颗粒等递送系统相结合，未来将发展出能广泛应用于人体基因编辑的临床治疗方法，为癌症、遗传病和罕见病患者带来新的希望。

关于亓磊——被忽视的CRISPR先驱

亓磊

亓磊，1983年出生于山东省潍坊市，本科毕业于清华大学，在加州大学伯克利分校读硕士期间师从诺贝尔物理奖得主朱棣文教授，硕士毕业后，在朱棣文的建议下，亓磊从物理学跨专业进入生物工程领域，跟随诺贝尔化学奖得主、CRISPR先驱Jennifer Doudna教授研究CRISPR基因编辑。

亓磊在CRISPR基因编辑领域可以称得上是硕果累累，他最早开发出了不切割DNA双链的dCas9，并在此基础上推出了CRISPRa（基于CRISPR的基因转录激活）和CRISPRi（基于CRISPR的基因转录抑制），还开发了在活体组织中精准呈现基因组序列的基因成像工具CRISPR Imaging，以及对三维基因组进行空间重排和定位的基因定位技术CRISPR-GO。

他的这些研究成果，极大地扩展了基因编辑工具包，让CRISPR基因编辑从“基因魔剪”变成了“瑞士军刀”，大大增加了CRISPR基因编辑的应用范围。

除了取得众多科研成果外，亓磊还参与创立了两家生物公司——Epicrispr Biotechnologies 和 Refuge Biotechnologies。前者目前尚处于隐身状态，后者为CAR-T细胞治疗公司，通过CRISPRa和CRISPRi技术提高CAR-T对肿瘤的治疗潜力，预计将于今年进行首个临床试验。

论文链接：

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00648-1