可以的小酶：认识基因编辑器 CasX

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及 基因编辑 CRISPR-CAS号 蛋白质– 从研究中出来 微生物，这是 CRISPR 家族最初令人费解的成员 CasX 首次被发现的地方。 CRISPR-Cas 就像是活体 DNA 的文字处理器 细胞，并为生物医学科学家、农学家和临床医生提供了“所有访问”工程细胞和生物体的通行证。 在所有技术中，优秀是优秀的健康竞争对手。 今天发表于 自然，科学家们发现 CasX，它的身体比其他编辑器小，形状不同，出拳远超其重量，是一个强大的 基因 编辑。 大小确实很重要，如果基因工程是手头的任务，那么小更好。

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 酶 CRISPR-Cas9 在世界上每个生物实验室附近都可以找到它，因为它可以使用一个惊人的简单原则“点击”感兴趣的基因：给它一小块 RNA 与基因匹配的酶将在活细胞中找到该基因并将其切割。 这使科学家们可以非常轻松地交换、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此类酶。 从那时起，科学家们发现了多种其他 Cas（CRISPR 相关）蛋白。 正如伯克利回旋加速器导致发现新化学元素一样，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与以往完全不同的新型 CRISPR 蛋白； 他们被命名为 CasX 和 CasY，因为不清楚他们实际上做了什么。 这些神秘的蛋白质能否与它们著名的前身 CasXNUMX 相提并论？

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 菌 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。

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 被称为 AAV. 虽然灵活，但 AAV 的承载能力有限，这意味着必须处理紧密包装必要的机械或说明 基因组 编辑。 CasX 比最常用的基因编辑器 Cas40 小很多（约 9%！），这意味着将 CasX 封装到 AAV 容器中可以为其他工具和基因组编辑配件留出空间。 如果 CasX 的小尺寸带来了它可以做什么的惩罚怎么办？ 科学家们现在明确地表明 CasX 是一种强大而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而且在所有类别中都拥有强大的战斗机。

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 似乎像它的前辈 Cas9 和 Cas12； 酶的高分辨率蓝图讲述了一个不同的故事。 共同主要作者 Jun-Jie Liu 和 Natalia Orlova 使用了一种被称为低温电子显微镜的超强方法：他们拍摄了数十万张 CasX 的图像并将它们组合起来，以逐个原子地构建它的肖像. 结果不仅仅是静物：刘和奥尔洛娃捕捉到了 CasX 蛋白在编辑基因的过程中的快照。 这部原子电影为如何在编辑中使用 CasX 提供了重要线索。

拼装电影展现了惊人的进化壮举。 海豚看起来像鱼——但它是一种哺乳动物，其祖先进化出“鱼腥性”，完全独立于真正的鱼类。 出于同样的原因，CasX 精确地削减了两者 股 DNA双螺旋，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构成和形状，CasX 独立于 Cas9 进化，没有共同的祖先。 “首先突出的是高度独特的域如何完成与我们在其他 RNA 引导的 DNA 结合蛋白中看到的类似的作用。 CasX 的最小尺寸，骨头上没有脂肪，这有助于清楚地表明大自然使用的基本配方，”奥克斯说。 “了解这个秘诀将帮助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