华人先锋学者Science发文：更好的CRISPR基因组编辑工具

康奈尔大学的一项新研究对基因组医学有重大意义。科学家们以原子精度定义了一种新的基因组编辑工具，其大小不到CRISPR-Cas9的一半，CRISPR-Cas9是目前最可靠的基因组编辑系统。这种新工具将允许科学家将基因编辑器放入更小的病毒传递系统中，以治疗各种疾病。

　　

CRISPR开创了基因组医学的时代。从流行的CRISPR-Cas9开发出了一系列强大的工具来治疗遗传疾病。然而，还有一个最后一公里的问题——这些工具需要有效地进入患者的每一个细胞，而大多数Cas9s太大，无法安装到流行的基因组治疗载体，如腺病毒相关病毒(AAV)。

在新的研究中，康奈尔大学的科学家们解释了这个问题是如何由自然解决的：他们精确地定义了转座子衍生系统如何以RNA引导的方式编辑DNA。转座子是细菌内部可移动的遗传元件。一个转座子编码IscB，它的大小不到Cas9的一半，但同样能够进行DNA编辑。用IscB取代Cas9将最终解决尺寸问题。

研究人员的论文5月26日发表在《科学》杂志上。

研究人员使用冷冻电子显微镜(Cryo-EM)对转座子系统中的IscB-ωRNA分子进行高分辨率可视化。他们能够捕捉到系统在不同构象状态下的快照。他们甚至能够通过从IscB中移除不必要的部分来设计更薄的IscB变体。

“新一代应用程序要求基因编辑器与其他酶和活性融合，而大多数Cas9s已经太大了，无法传递病毒。通讯作者、文理学院分子生物学和遗传学教授Ailong Ke说:“我们正面临着配送端的交通堵塞。如果Cas9s可以包装成在基因治疗领域已经使用了几十年的病毒载体，比如AAV，那么我们就可以相信它们可以被交付，我们可以专注于研究编辑工具本身的有效性。”

CRISPR-Cas9系统使用RNA作为向导来识别DNA序列。当找到匹配的DNA时，Cas9蛋白会在正确的位置剪切目标DNA;那么就有可能在DNA水平上做手术来修复遗传疾病。

康奈尔大学团队收集的低温电子显微镜数据表明，IscB-ωRNA系统以类似的方式工作，其更小的尺寸是通过将Cas9蛋白的部分替换为与引导RNA融合的结构化RNA (ωRNA)来实现的。通过用RNA取代较大Cas9的蛋白质成分，IscB蛋白被压缩到核心化学反应中心，从而剪切目标DNA。

“这是关于了解分子的结构和它们如何进行化学反应，”第一作者Gabriel Schuler说，他是微生物学研究生领域的博士生。“研究这些转座子给我们提供了一个新的起点，产生更强大、更容易获得的基因编辑工具。”

据称，转座子——可移动的基因元件——是CRISPR系统的进化前体。它们是诺贝尔奖得主Barbara McClintock于23年发现的。

Ke说:“转座子是专门的基因搭便车者，一直在融入和拼接我们的基因组。”“特别是细菌内部的系统正在不断地被选择——大自然基本上已经掷了数十亿次骰子，并提出了真正强大的DNA手术工具，包括CRISPR。现在，通过高分辨率定义这些酶，我们可以利用它们的力量。”

与CRISPR Cas9相比，IscB更小，研究人员相信他们可以将其缩小得更小。他们已经在不影响IscB活性的情况下去除了55个氨基酸;他们希望使未来版本的基因组编辑器更小，从而更有用。

分子生物学与遗传学系博士后研究员Chunyi Hu说，更好地理解同伴引导RNA的功能是这项研究背后的另一个动机。“仍然有很多谜团，比如为什么转座子使用RNA引导系统?这个RNA可能还扮演着什么其他角色?”

研究人员仍然面临的一个挑战是，尽管IscB-ωRNA在试管中非常活跃，但它在改变人类细胞中的DNA时并不那么有效。他们研究的下一步将是利用分子结构来探索他们已经确定的人类细胞活性低的原因的可能性。“我们有一些想法，希望在不久的将来进行测试。”

原文标题：

Structural Basis for RNA-Guided DNA Cleavage by IscB-ωRNA and Mechanistic Comparison with Cas