ProCas9可以感知蛋白酶的存在。ProCas9（左，灰色）是不活躍的，直到蛋白酶將其中一小段蛋白質(zhì)（紅色的環(huán)）剪切后，它才會(huì )變得活躍（右，紅色）并與DNA結合。
CRISPR-Cas9作為一種革命性的基因編輯工具，其功能非常強大：雖然其本來(lái)是細菌用來(lái)破壞病毒的，但它也能在人類(lèi)細胞中很好地發(fā)揮各種遺傳功能，包括剪切和粘貼DNA、精確地進(jìn)行突變以及激活或抑制基因表達。
近日，美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員給CRISPR-Cas9添加了一個(gè)“開(kāi)啟”開(kāi)關(guān)，允許用戶(hù)在除目標細胞外的所有細胞中關(guān)閉Cas9基因編輯器，使其變得更加通用。研究結果于1月10日在線(xiàn)發(fā)表在《細胞》雜志的網(wǎng)絡(luò )版上。
重新設計的Cas9酶——研究人員稱(chēng)之為ProCas9——功能完全正常。不過(guò)它含有一段蛋白質(zhì)，在Cas9酶結合和切割DNA之前需要將其剪切掉。如果在ProCas9中插入一段只能被特定酶切割的短蛋白質(zhì)，比如癌細胞或傳染性病毒或細菌專(zhuān)用的酶，這種酶就會(huì )成為啟動(dòng)Cas9的觸發(fā)器。ProCas9就是根據蛋白酶來(lái)“感知”細胞類(lèi)型的。
加州大學(xué)伯克利分校分子和細胞生物學(xué)副教授David Savage說(shuō)，“這是我們?yōu)镃as9酶在分子層面添加的一種額外安全層，來(lái)確保其切割的準確性。這種方法賦予了Cas9蛋白的可編程輸入?！?/p>
Savage說(shuō)：“有很多蛋白酶可以調節細胞內的信號通路，將正常細胞轉化為癌細胞，并參與病原體的感染。如果我們能感知這些信號，我們就能利用這些重要的途徑并做出響應?！?/p>
在這項研究中，Savage和他的同事通過(guò)使Cas9對植物病毒和人類(lèi)病毒（如西尼羅河病毒）都敏感來(lái)證明蛋白酶對Cas9的成功控制。在未來(lái)，他們相信這種技術(shù)可以用于將CRISPR-Cas9細菌免疫系統導入植物中，幫助它們抵御具有破壞性的病毒病原體。
Savage最初的研究目標是將Cas9蛋白質(zhì)削減為最簡(jiǎn)單的版本，以獲得盡可能強大的基因編輯器：它越簡(jiǎn)單，就越容易工作和進(jìn)入細胞。他說(shuō)：“我們知道Cas蛋白很復雜，它有各種各樣的調節蛋白，這對它在細菌免疫系統中的功能至關(guān)重要。我們工作的主要目標是馴服它們，將其用于人類(lèi)，并去除與基因組編輯無(wú)關(guān)的東西?！碧貏e是，他想重新設計Cas9，使其更容易附著(zhù)在其他蛋白質(zhì)上。這將使Cas9攜帶具有多種功能的蛋白質(zhì)到DNA的正確位置上。這些蛋白叫做融合蛋白，其變體有希望改變基因表達，或者在“堿基編輯”的技術(shù)中，精確地改變DNA中的一個(gè)堿基或核苷酸。
研究人員用來(lái)重組Cas9的技術(shù)，稱(chēng)為循環(huán)排列，之前從未在Cas9這樣復雜的蛋白質(zhì)上進(jìn)行過(guò)試驗。循環(huán)排列包括取出Cas9蛋白的氨基酸序列并將其切割，轉換兩個(gè)片段的順序，然后將其折疊成一個(gè)新的3D構型。
研究人員對Cas9蛋白進(jìn)行了所有方式的切開(kāi)以及循環(huán)排列，發(fā)現約有10%的新蛋白質(zhì)仍然起作用，就好像研究人員只是以一種不同的方式重新排列了蛋白質(zhì)的亞基，卻不影響蛋白質(zhì)的功能。這可能是因為Cas9蛋白復合物具有高度的靈活性，當它抓住引導RNA、與DNA結合并移動(dòng)到切割DNA鏈的位置時(shí)，它會(huì )四處移動(dòng)。
Savage目前正在探索一些Cas9重排方式，以便為融合蛋白提供更好的支架，使它們更接近其靶向的DNA鏈。在重新排列Cas9支架的過(guò)程中，他意外地發(fā)現，重新連接兩個(gè)蛋白片段的方式會(huì )對結果產(chǎn)生影響。他說(shuō)：“當我們切割蛋白質(zhì)并將舊的片段移到新位置時(shí)，系統對如何將這兩個(gè)片段連接在一起變得非常敏感。我們意識到，我們可以利用這種敏感性來(lái)設計蛋白質(zhì)，使其具有蛋白酶識別位點(diǎn)?！边@項研究表明，“在基因編輯蛋白質(zhì)方面，我們并沒(méi)有固守自然賦予我們的東西，這些蛋白質(zhì)可以被精心優(yōu)化，并轉化成自然界中沒(méi)有的支架，使其具有在人體細胞中發(fā)揮作用的合適特性?！?Savage說(shuō)道。
編譯：花花 審稿：alone 責編：張夢(mèng)
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