CRISPR 基因编辑的常见比喻是它像分子剪刀一样工作，剪下 DNA 的选定部分。斯坦福大学生物工程助理教授 Stanley Qi 喜欢这个比喻，但他认为是时候将 CRISPR 重新想象为瑞士军刀了。
“CRISPR 可以像切割器一样简单，也可以像调节器、编辑器、贴标机或成像仪一样先进。许多应用正在从这个激动人心的领域中涌现，”齐说，他也是该领域的化学和系统生物学助理教授。斯坦福医学院和斯坦福大学化学-H研究所学者。
然而，许多不同的 CRISPR 系统正在使用或正在临床测试用于眼部、肝脏和大脑疾病的基因治疗，但它们的范围仍然有限，因为它们都存在相同的缺陷：它们太大，因此难以输送到细胞、组织或生物体中。
在 9 月 3 日发表在Molecular Cell 上的一篇论文中，Qi 和他的合作者宣布了他们认为 CRISPR 向前迈出的重要一步：一种高效、多用途的微型CRISPR 系统。常用的 CRISPR 系统——Cas9 和 Cas12a 等名称表示 CRISPR 相关 (Cas) 蛋白的各种版本——由大约 1000 到 1500 个氨基酸组成，而它们的“CasMINI”有 529 个。
研究人员在实验中证实，CasMINI 可以删除、激活和编辑遗传密码，就像其更强大的对应物一样。其较小的尺寸意味着它应该更容易进入人体细胞和人体，使其成为治疗各种疾病的潜在工具，包括眼病、器官退化和遗传病。
坚持不懈的努力
为了使系统尽可能小，研究人员决定从 CRISPR 蛋白 Cas12f(也称为 Cas14)开始，因为它只包含大约 400 到 700 个氨基酸。然而，与其他 CRISPR 蛋白一样，Cas12f 天然起源于古细菌——单细胞生物——这意味着它不太适合哺乳动物细胞，更不用说人类细胞或身体了。已知只有少数 CRISPR 蛋白无需修饰即可在哺乳动物细胞中发挥作用。不幸的是，CAS12f 不是其中之一。这对齐这样的生物工程师来说是一个诱人的挑战。
“我们想，'好吧，数百万年的进化未能将这个 CRISPR 系统转变为在人体中发挥作用的东西。我们能在一两年内改变它吗?'”齐说。“据我所知，我们第一次将无效的 CRISPR 变成了有效的 CRISPR。”
事实上，齐实验室的博士后学者、该论文的第一作者徐晓舒没有看到人体细胞中天然 Cas12f 的活性。Xu 和 Qi 假设问题在于人类基因组 DNA 比微生物 DNA 更复杂且更难获得，这使得 Cas12f 很难在细胞中找到它的目标。通过查看 Cas12f 系统的计算预测结构，她仔细选择了蛋白质中大约 40 个可能绕过这一限制的突变，并建立了一次测试许多蛋白质变体的管道。理论上，一种有效的变体将通过激活其基因组中的绿色荧光蛋白 (GFP) 将人类细胞变成绿色。
“起初，这个系统在一年内根本不起作用，”徐说。“但经过生物工程的迭代，我们看到一些工程蛋白质开始发挥作用，就像魔法一样。这让我们真正体会到合成生物学和生物工程的力量。”
第一个成功的结果并不大，但他们让徐振奋并鼓励她继续前进，因为这意味着系统有效。经过许多额外的迭代，她能够进一步提高蛋白质的性能。“我们一开始只看到两个细胞显示绿色信号，现在经过工程改造，几乎每个细胞在显微镜下都是绿色的，”徐说。
“在某个时候，我不得不阻止她，”齐回忆道。“我说'现在很好。你已经制作了一个非常好的系统。我们应该考虑如何将这种分子用于应用。'”
除了蛋白质工程之外，研究人员还设计了将 Cas 蛋白引导至其目标 DNA 的 RNA。对这两个组件的修改对于使 CasMINI 系统在人体细胞中发挥作用至关重要。他们测试了 CasMINI 在实验室人类细胞中删除和编辑基因的能力，包括与 HIV 感染、抗肿瘤免疫反应和贫血相关的基因。它对他们测试的几乎所有基因都起作用，对几个基因产生了强烈的反应。
开门
研究人员已经开始与其他科学家合作以寻求基因疗法。他们还对如何促进 RNA 技术的进步感兴趣——比如用于开发 mRNA COVID-19 疫苗的技术——其中大小也可能是一个限制因素。
“自 CRISPR 早期以来，这种设计这些系统的能力一直是该领域所需要的，我觉得我们为实现这一目标做出了自己的贡献，”齐说。“而且这种工程方法可以提供如此广泛的帮助。这让我很兴奋——为新的可能性打开了大门。”
