新版本Cas3蛋白，干细胞直接基因编辑的效率被提高到了50%

增强的研究工具是遗传疾病和发育生物学研究的潜在优势。

　　

大约十年前，科学家们发现了CRISPR的功能，这是细菌用来保护自己免受病毒入侵的一种工具。这个系统现在是用于编辑基因组的基本研究工具。CRISPR-Cas9是最流行的CRISPR工具之一，研究人员可以用它来识别细胞内的目标DNA，然后将其剪切或替换。

“然而，Cas9工具进行大规模基因编辑的能力确实有限，”密歇根大学医学院生物化学系助理教授Yan Zhang博士说。  

这就是另一种编辑工具CRISPR-Cas3的作用所在。

2019年，Zhang的实验室是描述这种新工具的第一批研究人员之一，这种工具具有DNA降解的能力，从而导致大规模基因组缺失。人类基因的平均长度为10到15千碱基，完全在CRISPR-Cas3的能力范围内。                    

然而，它在效率、更大的基因大小和蛋白质制造方面面临一些限制，Zhang说。在发表在《Molecular Cell》杂志上的一篇新论文中，Zhonggang Hou博士等人描述了他们如何发现了一个隐藏的宝石，使新型CRISPR-Cas3编辑器能够克服这些限制。

在这篇新论文中，他们展示了第一个从细菌中提取的微型CRISPR-Cas3编辑器的例子嗜乳糖奈瑟氏菌（Neisseria lactamica）这大大提高了编辑效率，更容易作为核糖核蛋白试剂生产，并具有更紧凑的整体基因大小，有利于在体内传递。以前，在使用老版本的工具时，我们只能在干细胞中实现10%的编辑，在癌症来源的细胞系中可能实现30%到50%的编辑。

这个团队现在开发了Neisseria lactamica CRISPR-Cas3纯化了Cascade RNP和Cas3蛋白，在干细胞中可以达到50%的编辑效率，在其他人类细胞系中可以达到95%的编辑效率。为了最大限度地利用这个工具，他们开始建立一种使用质粒的表达方法，质粒是一种小的环状DNA分子，研究人员可以使用它来绕过蛋白质纯化步骤。

然而，当他们试图制造和传递质粒时，他们没有发挥作用。

博士生RenkeTan注意到蛋白质纯化凝胶上有一个意想不到的蛋白质带，并最终发现它是一种内部翻译产物Cas11，没有Cas11, CRISPR-Cas3复合体就不会形成，因此也就不会在人类细胞中进行编辑。

“这种类型的Cas11蛋白质就像一块隐藏的宝石，直到最近才被我们和其他研究人员发现，”Zhang说。

通过一个单独的表达质粒将其添加回去，可以在人类细胞中产生Cas11蛋白，并允许CRISPR-Cas3质粒系统正常工作。“我认为我们发现了CRISPR-Cas3工具的版本，我们非常满意。”

随着这项工作的发表，该团队已经让研究人员可以在Addgene上使用该工具来调查广泛的科学问题，从删除大型致病基因到研究非编码的人类基因组。Zhang说:“我们的下一个阶段是将CRISPR-Cas3应用于动物模型和干细胞，以创建疾病模型或研究多能性的顺式调节元件。”                    

密歇根大学和康奈尔大学已经就这一发现申请了联合专利。

“Cas11 enables genome engineering in human cells with compact CRISPR-Cas3 systems,” Molecular Cell. DOI: 10.1016/j.molcel.2021.12.032