Nature Biotechnology：扩大CRISPR-Cas9的靶向范围

　　

生物通报道  来自麻省总医院(MGH)的一个研究小组证实，他们开发的一种旨在提高基因编辑工具CRISPR-Cas9 最常见RNA引导核酸酶形式实用性和精度的方法，也适用于来自其他细菌的Cas9酶。

在发表于《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上的研究论文中，研究小组报告称演化出了SaCas9（来自金黄色葡萄球菌的Cas9酶）的一种变体，它能够识别更广泛的核苷酸序列，靶向以往CRISPR-Cas9技术无法触及的基因组位点。

论文的共同通讯作者、麻省总医院分子病理学部研究员Benjamin Kleinstiver博士说：“开发出具有更广靶向范围的Cas9变体对于需要精确靶向基因组序列的应用尤为重要。此外，SaCas9的编码序列比源自酿脓链球菌的SpCas9要小23%——这一大小差异使得SaCas9利于需要病毒传递的潜在治疗应用。”

CRISPR-Cas9核酸酶是由一段长度为20个核苷酸、匹配靶DNA序列的小RNA分子，及可在目的位置切割DNA的Cas9细菌酶所组成。除了RNA与DNA序列之间相匹配，Cas9还需要识别一段称作为前间区序列邻近基序(protospacer adjacent motif,PAM)的邻近核苷酸序列。

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在今年早些时候发表于《自然》（Nature）杂志上的一项研究中，该研究小组描述了一个遗传系统使得他们能够快速演化SpCas9识别不同的PAM序列（延伸阅读：Nature发布CRISPR-Cas9重大新成果 ）。自然的SpCas9识别的是NGG形式（N代表任何核苷酸，G表示鸟嘌呤分子）的PAM序列，该研究小组演化的SpCas9版本可以识别更广泛的PAM序列，将可靶向位点范围扩大了一倍。

在当前的研究中，该研究小组将研究方向转向了SaCas9，SaCas9自然要求NNGRRT形式的PAM序列（R可以是腺苷酸或鸟苷酸，T必须是胸腺嘧啶）靠近靶DNA。利用在以往的研究报告中描述的一种先进的分子演化系统，研究小组成功开发出了他们称作为KKH SaCas9的变体，其可以识别第三位置为任意核苷酸的PAM序列，将靶向范围提高了2-4倍。无需预先了解SaCas9的精确结构，该系统能够操控PAM特异性发生这些改变。

论文的共同通讯作者、麻省总医院病理科副主任J. Keith Joung 博士说：“我们现在证实，可以利用我们的定向演化方法来改造SaCas9的PAM特异性，大大扩展这一重要的Cas9核酸酶可接近的基因组位点数量。能够精确靶向位点对于那些对破坏小遗传元件感兴趣，或是从事同源重组介导DNA修复相关研究的研究人员来说非常重要。我们相信，我们的定向进化方法为改变存在于许多细菌中丰富的Cas9核酸的识别特性提供了一个重要的蓝图。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Broadening the targeting range of Staphylococcus aureus CRISPR-Cas9 by modifying PAM recognition

CRISPR-Cas9 nucleases target specific DNA sequences using a guide RNA but also require recognition of a protospacer adjacent motif (PAM) by the Cas9 protein. Although longer PAMs can potentially improve the specificity of genome editing, they limit the range of sequences that Cas9 orthologs can target. One potential strategy to relieve this restriction is to relax the PAM recognition specificity of Cas9. Here we used molecular evolution to modify the NNGRRT PAM of Staphylococcus aureus Cas9 (SaCas9). One variant we identified, referred to as KKH SaCas9, showed robust genome editing activities at endogenous human target sites with NNNRRT PAMs, thereby increasing SaCas9 targeting range by two- to fourfold. Using GUIDE-seq, we show that wild-type and KKH SaCas9 induce comparable numbers of off-target effects in human cells. Our strategy for evolving PAM specificity does not require structural information and therefore should be applicable to a wide range of Cas9 orthologs