CasX酶在不同角度的EM结构
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可以的小酶:认识基因编辑器 CasX

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从神秘到发现:CasX变成“Cas!!!”

科学家使用字母“X”来表示神秘的事物(例如 X 射线,而 X 染色体,当两者都被首次发现时)。 认识最新条目 CasX,其中的奥秘已被创新中心的“侦探”团队破解 基因组学 研究所。 上个世纪的两个里程碑式的发现——重组 的DNA基因 用 CRISPR-Cas 蛋白进行编辑——源自微生物研究,而 CasX 是该领域中最初令人费解的 CRISPR 家族中,最先被发现的基因。CRISPR-Cas 就像是活细胞 DNA 的文字处理器,为生物医学科学家、农学家和临床医生提供了对细胞和生物体进行工程改造的“全通行证”。在所有技术中,优秀是好的健康竞争对手。 今天发表于 自然科学家们发现,CasX 的体积比其他编辑器小,形状也不同,但它的功能远超其重量,是一种强大的基因编辑器。尺寸确实很重要,如果手头的任务是基因工程,那么尺寸越小越好。

 

教一只新狗的新旧技巧

在文字处理中,我们使用鼠标单击要编辑的位置。 这 CRISPR-Cas9 几乎存在于世界上每个生物实验室中,因为它可以通过一个非常简单的原理“点击”感兴趣的基因:给它一小块 RNA 酶会在活体细胞中找到与基因相匹配的基因 细胞 并将其切割。这使得科学家能够非常轻松地交换、插入或删除 DNA 序列。2012 年, Cas9 成为第一个被发现并用于此目的的酶。从那时起,科学家们发现了多种其他 CAS号 (CRISPR 相关)蛋白。正如伯克利回旋加速器促成了新化学元素的发现一样,加州大学伯克利分校也发现了许多新的 Cas 蛋白。2017 年 9 月,Jennifer Doudna 和 Jill Banfield 的实验室发现了两种新型 CRISPR 蛋白,它们与之前的所有蛋白都大不相同;它们被命名为 CasX 和 CasY,因为尚不清楚它们的实际作用。这些神秘的蛋白质可能与它们著名的前身 CasXNUMX 相媲美或相媲美吗?

优秀不就是优秀的敌人吗? 不是技术开发。 “虽然目前的蛋白质如 Cas9 和 Cas12 在研究环境中非常强大,但在临床中重要的实际上与实验室截然不同,”共同主要作者 Ben Oakes 说,他通过 IGI 的创业研究员计划管理一个研究小组,并专注于开发 CRISPR 的实际应用. Oakes 乐观地认为 CasX 可能是一个已知挑战的解决方案:其他基于 CRISPR 的编辑器体积庞大,并且来自 从而感染人类。 为了用于临床,这意味着科学家需要面对交付和免疫原性的后勤障碍。

卡通病毒
病毒被用作医疗“特洛伊木马”,将治疗性 DNA 潜入患病细胞。

致力于将基因编辑作为疾病治疗剂的科学家和医生有一个阴郁的笑话:基因编辑中哪三件事很重要? 交付,交付和交付。 如果你不能将基因编辑器放入你的目标细胞或器官,你就会失败。 为了将 Cas9 引入体内特定细胞,科学家们经常使用分子输送车:载体 病毒 称为 AAV。AAV 虽然灵活,但承载能力有限,这意味着必须紧密包装必要的机械或说明书以 基因组编辑。CasX 比最常用的基因编辑器 Cas40 小很多(~9%!),这意味着将 CasX 包装到 AAV 容器中可以为其他工具和 基因组 编辑配件。如果 CasX 的尺寸小会限制其功能怎么办?科学家现在明确表明,CasX 是一种强效且高效的基因编辑器和基因调节器;因此,基因编辑工具箱现在不仅在其轻量级中拥有强大的战斗机,而且在所有类别中也拥有强大的战斗机。

CasX 的小尺寸并不是它唯一值得注意的特征:它的起源也是如此——CasX 是在人类从未接触过的细菌中发现的。 为什么这很有趣? 许多用于基因组编辑的最佳 Cas9 蛋白来自通常存在于人体表面或体内的细菌。 结果,许多人携带了暴露于 Cas9 的免疫记忆。 拥有这种记忆力的人类接受 Cas9 基因编辑后会发生什么? 答案尚不清楚,但在所有使用 Cas9 进行临床试验的人的心中都有,其中一些正在进行中。

“基因组编辑工具的免疫原性、传递和特异性都至关重要,”奥克斯说。 “我们对 CasX 在所有这些方面感到兴奋。”

 

在自己的联盟​​中

在确定 CasX 可以编辑 DNA 后,研究团队着手了解这台强大机器的工作原理以及他们如何改进它。 与翻新房屋类似,工程师在重新布置任何管道或电缆之前必须有详细的蓝图,因此团队开始绘制这样的蓝图。

乍一看,CasX 似乎像其前身 Cas9 和 Cas12 一样;但该酶的高分辨率蓝图却讲述了一个不同的故事。共同主要作者刘俊杰和娜塔莉亚·奥洛娃使用了一种名为低温电子显微镜的绝妙方法:他们拍摄了数十万张 CasX 图像,并将它们组合起来,构建了它的原子级肖像。结果不仅仅是一幅静物画:刘和奥洛娃捕捉到了 CasX 的快照 蛋白质 编辑基因的过程。这部原子电影为如何使用 CasX 进行编辑提供了重要线索。

CasX 的电子显微镜结构
CasX 运行中的电子显微镜快照。

组装胶片揭示了一项惊人的进化壮举。海豚看起来像鱼——但它是一种哺乳动物,其祖先进化出了“鱼性”,与真正的鱼类完全无关。同样,CasX 精确地切割 DNA 双螺旋的两条链,就像 Cas9 和相关酶一样;但这似乎是它自己学会的技能。基于蛋白质独特的分子组成和形状,CasX 独立于 Cas9 进化,没有共同的祖先。“首先引人注目的是,这些高度独特的结构域如何发挥与我们在其他 RNA 引导的 DNA 结合蛋白中看到的相似的作用。CasX 的尺寸极小,骨头上没有脂肪,有助于清楚地证明大自然使用了一种基本配方,”Oakes 说。“了解这个配方将有助于我们更好地进化和设计基因组编辑工具,以满足我们的目的,而不是大自然的目的。”

 

扩展和利用 CasX

除了满足于自然的进化之外,Oakes 还计划设计 CasX 以实现专业功能并提高编辑效率。 “我们很高兴能够在大自然的设计基础上开发出新的、更有效的 CRISPR 蛋白,因为我们的 最近在 ProCas9 上的工作已经证明. 为特定目的开发 CRISPR 蛋白将极大地扩大 CRISPR 技术对社会的影响和价值。” 随着奥克斯和他的同事开始测试 CasX 蛋白的其他同系物或风味,确定治疗应用的有希望的候选者,故事还在继续。

IGI 和整个加州大学伯克利分校的不同研究小组之间的合作导致了令人兴奋的 CRISPR 蛋白质发现管道,并将其重新用于基因组编辑工具。 “这项单一研究中生物化学、基因组编辑和结构实验的高潮是 IGI 正在进行的综合努力的一个主要例子,”IGI 执行董事 Jennifer Doudna 说。 “我们不只是想发现下一把分子剪刀。 我们想制造下一把瑞士军刀。”

 

这项研究发表在《自然》杂志的网络版上,名为“CasX 酶包含一个独特的 RNA 引导的基因组编辑器家族。” 除了 Oakes、Liu 和 Orlova,其他作者还有 Enbo Ma、Hannah B. Spinner、Katherine LM Baney、Jonathan Chuck、Dan Tan、Gavin J. Knott、Lucas B. Harrington、Basem Al-Shayeb、Alexander Wagner、Brett T. Staahl、Kian L. Talyor、Julian Brotzman、Eva Nogales 和 Jennifer Doudna。 这项研究由创新基因组学研究所的创业研究员计划、美国国立卫生研究院、霍华德休斯医学研究所和美国国家科学基金会资助。

创新基因组学研究所 (IGI) 是加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校之间的一个非营利性学术合作机构,支持整个湾区的合作研究项目。 IGI 的使命是开发和部署基因组工程,以治愈疾病、确保粮食安全并为今世后代维持环境。 作为基因组编辑、功能基因组学和其他尖端技术的先驱,IGI 科学家不断突破科学的界限。

媒体联系
梅根 Hochstrasser:megan.hochstrasser@berkeley.edu
本杰明·奥克斯:oakes@berkeley.edu