基因魔剪更新為“瑞士軍刀”？新型基因編輯工具CasX來了

日前，美國加州大學伯克利分校Jennifer Doudna作為通訊作者之一在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）雜誌發表一項最新研究：CasX是細菌和人類細胞中一種有效的基因編輯器。這是時隔7年之後，Doudna再次開發出新型基因編輯工具，或可和此前的Cas9形成有力競爭。

2012年6月， Doudna率先拉開第三代基因編輯技術CRISPR-Cas9的大幕，但在隨後的專利競爭中，一度被麻省理工學院和哈佛大學的博德研究所（Broad Institute）張鋒團隊佔盡優勢。

CasX由Doudna和加州大學伯克利分校另一名科學家Jill Banfield兩年前在一些世界上最小的細菌中發現，這種蛋白質與Cas9類似，但比Cas9小得多：如果你想把基因編輯器植入細胞，這是一個很大的優勢。

所謂的CRISPR本身是一種防禦系統，用以保護細菌和古細菌細胞不受病毒的侵害。這些生物基因組中的CRISPR位點能表達與入侵病毒基因組序列相匹配的小分子RNA，當細菌等感染了病毒，CRISPR RNA就能通過互補序列結合病毒基因組，並表達CRISPR相關酶，也就是Cas，這些核酸內切酶能切割病毒DNA，從而瓦解病毒攻擊。

科學家將這套系統搬用到非細菌細胞中，實現對DNA核苷酸序列進行刪除、插入等精確的編輯操作。目前，CRISPR系統中兩類效應蛋白家族Cas9和Cas12a（又稱為Cpf1）已被成功改造成哺乳動物及其它模式生物的基因組編輯工具。2018年12月、今年1月，中科院動物研究所李偉等人、張鋒及其同事分別在Cell Discovery雜誌、Nature communications發表了名為Cas12b的第三個CRISPR基因編輯系統。

尤其是最早開發的Cas9，目前已經證明自己是一個強大的基因編輯器，被廣泛應用於人類、植物、動物和細菌中，能夠快速準確地剪切和拚接DNA，為治療疾病開辟新途徑。

Doudna率領的研究團隊此番開發出的CasX證明了在原生細菌之外也能發揮作用。其設計類似於Cas9和 “表親”Cas12，但不同之處在於，它似乎是獨立於其他Cas蛋白在細菌中進化而來的。它可以像Cas9一樣切割雙鏈DNA，可以結合DNA調節基因，也可以像其他Cas蛋白一樣靶向特定的DNA序列。

此外，由於它來自於人類不存在的細菌，Banfield從地下水和沉積物中發現的微生物數據庫中提取了它們，人類免疫系統應該比Cas9更容易接受它。一些醫生一直在擔心，在使用CRISPR治療的患者中，Cas9可能會產生免疫反應。

“基因組編輯工具的免疫原性、傳遞性和特異性都至關重要。”論文的作者之一Benjamin Oakes在加州大學伯克利分校官網的一篇新聞稿中如此表示。Oakes曾在加州大學伯克利分校攻讀研究生，目前是創新基因組研究所（innovation Genomics Institute）的創業研究員， “我們對CasX在所有這些領域的表現感到興奮。”

論文第一作者Jun-Jie Liu和Natalia Orlova使用冷凍電鏡捕捉到了CasX蛋白在編輯基因過程中的快照影像，基於這種蛋白質獨特的分子組成和形狀，研究人員得出結論，CasX的進化獨立於Cas9，沒有共同的祖先。

“首先值得注意的是，這些高度特異性的結構域是如何發揮類似於他們在其他RNA引導的DNA結合蛋白中所觀察到的作用。CasX的最小尺寸有助於清楚地展示其在自然界中使用的基本配方。”Oakes說，“了解這個配方將幫助我們更好地進化和設計基因組編輯工具，以達到我們的目的，而不是自然的目的。”

Doudna最後表示，“我們不僅僅在尋找下一對分子剪刀，我們想製造下一把瑞士軍刀。”