緊湊“基因剪刀”或爲高膽固醇基因治療開新路

CRISPR-Cas 在研究和醫學中被廣泛用於編輯、插入、刪除或調節生物體中的基因。TnpB 是這種著名的“基因剪刀”的祖先，但它小得多，因此更容易運輸到細胞中。

通過蛋白質工程和人工智能算法，蘇黎世大學的研究人員現在增強了 TnpB 的能力，使 DNA 編輯更高效、更多樣化，爲未來治療高膽固醇的基因缺陷鋪平了道路。這項工作已在《自然方法》上發表。

CRISPR-Cas 系統由蛋白質和 RNA 成分組成，最初是作爲細菌抵禦入侵病毒的天然防禦機制而開發的。在過去的十年中，對這些所謂的“基因剪刀”的重新設計徹底改變了科學和醫學領域中的基因工程。

這些工具可以被編程以在我們的 DNA 中找到特定位置，並以精確的方式編輯遺傳信息。例如，DNA 中的致病突變可以恢復到健康狀態。

最近發現，Cas 蛋白是從小得多的蛋白質進化而來的，TnpB 是 Cas12 的祖先。由於 Cas 蛋白尺寸較大，在試圖將其遞送到體內正確的細胞時會帶來挑戰，最近的研究試圖將其較小的進化祖細胞用作基因組編輯工具。

這些小型替代品存在的問題是其功能效率偏低。

如今，由蘇黎世大學（UZH）藥理與毒理研究所的傑拉爾德·施萬克（Gerald Schwank）領銜的一個研究小組，與蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的同事一道，解決了這個難題。

通過對小而強大的蛋白質 TnpB 進行改造，我們得以設計出一種變體，其修飾 DNA 的效率提高了 4.4 倍——這讓它作爲基因編輯工具更具效力，”施萬克說道。

TnpB 蛋白質存在於各類細菌和古細菌當中。

研究人員所研究的 TnpB 來自耐輻射奇球菌。

緊湊的 TnpB 蛋白質此前已被證實可用於人類細胞的基因組編輯，不過，由於其在結合 DNA 時的識別要求，效率較低且靶向能力有限。

因此，研究人員優化了 TnpB，使其能夠比原始蛋白質更有效地編輯哺乳動物細胞的 DNA。

“訣竅在於通過兩種方式來修改該工具：首先，使其更有效地進入基因組 DNA 所在的細胞核，其次，使其也針對替代基因組序列，”施萬克實驗室的博士生、該研究的第一作者金·馬夸特（Kim Marquart）說。

爲了確定靶位點 DNA 序列中的哪些特徵決定了基因組編輯效率，研究人員在 10,211 個不同的靶位點測試了 TnpB。與同樣身爲蘇黎世大學教授的邁克爾·克勞瑟默（Michael Krauthammer）的團隊合作，他們開發了一種新的人工智能模型，能夠預測 TnpB 在任何給定靶位點的編輯效率。

“我們的模型可以預測 TnpB 在不同情況下的工作效果，使設計成功的基因編輯實驗更容易、更快捷。利用這些預測，我們在小鼠肝臟中實現了高達 75.3%的編輯效率，在小鼠大腦中實現了 65.9%的編輯效率，”馬夸特補充道。

“由於它的體積小，TnpB 基因編輯系統能夠被包裝進單個病毒顆粒裡。”馬夸特說道。

相比之下，CRISPR-Cas9 組件得被包裝進多個病毒顆粒裡，這就意味着得使用更高的載體劑量。

在當前項目中，研究人員研究了 TnpB 工具是否可用於治療家族性高膽固醇血癥患者。這種遺傳疾病會導致終身嚴重的高膽固醇升高狀況，全球約有 3100 萬人受其影響。該疾病增加了早發性動脈粥樣硬化心血管疾病的風險。

“我們能夠編輯調節膽固醇水平的基因，進而讓接受治療的小鼠的膽固醇降低將近 80％。目標是在人類中開發類似的基因編輯策略，以治療高膽固醇血癥患者，”施萬克說。