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(jié)合。
CRISPR-Cas9作為一種革命性的基因編輯工具，其功能非常強(qiáng)大：雖然其本來是細(xì)菌用來破壞病毒的，但它也能在人類細(xì)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(dá)。
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)“開啟”開關(guān)，允許用戶在除目標(biāo)細(xì)胞外的所有細(xì)胞中關(guān)閉Cas9基因編輯器，使其變得更加通用。研究結(jié)果于1月10日在線發(fā)表在《細(xì)胞》雜志的網(wǎng)絡(luò)版上。
重新設(shè)計(jì)的Cas9酶——研究人員稱之為ProCas9——功能完全正常。不過它含有一段蛋白質(zhì)，在Cas9酶結(jié)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(xì)胞或傳染性病毒或細(xì)菌專用的酶，這種酶就會(huì)成為啟動(dòng)Cas9的觸發(fā)器。ProCas9就是根據(jù)蛋白酶來“感知”細(xì)胞類型的。
加州大學(xué)伯克利分校分子和細(xì)胞生物學(xué)副教授David Savage說，“這是我們?yōu)镃as9酶在分子層面添加的一種額外安全層，來確保其切割的準(zhǔn)確性。這種方法賦予了Cas9蛋白的可編程輸入?！?/p>
Savage說：“有很多蛋白酶可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路，將正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞，并參與病原體的感染。如果我們能感知這些信號(hào)，我們就能利用這些重要的途徑并做出響應(yīng)?！?/p>
在這項(xiàng)研究中，Savage和他的同事通過使Cas9對(duì)植物病毒和人類病毒（如西尼羅河病毒）都敏感來證明蛋白酶對(duì)Cas9的成功控制。在未來，他們相信這種技術(shù)可以用于將CRISPR-Cas9細(xì)菌免疫系統(tǒng)導(dǎo)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(biāo)是將Cas9蛋白質(zhì)削減為最簡單的版本，以獲得盡可能強(qiáng)大的基因編輯器：它越簡單，就越容易工作和進(jìn)入細(xì)胞。他說：“我們知道Cas蛋白很復(fù)雜，它有各種各樣的調(diào)節(jié)蛋白，這對(duì)它在細(xì)菌免疫系統(tǒng)中的功能至關(guān)重要。我們工作的主要目標(biāo)是馴服它們，將其用于人類，并去除與基因組編輯無關(guān)的東西?！碧貏e是，他想重新設(shè)計(jì)Cas9，使其更容易附著在其他蛋白質(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(dá)，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。
研究人員用來重組Cas9的技術(shù)，稱為循環(huán)排列，之前從未在Cas9這樣復(fù)雜的蛋白質(zhì)上進(jìn)行過試驗(yàn)。循環(huán)排列包括取出Cas9蛋白的氨基酸序列并將其切割，轉(zhuǎn)換兩個(gè)片段的順序，然后將其折疊成一個(gè)新的3D構(gòu)型。
研究人員對(duì)Cas9蛋白進(jìn)行了所有方式的切開以及循環(huán)排列，發(fā)現(xiàn)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?yàn)镃as9蛋白復(fù)合物具有高度的靈活性，當(dāng)它抓住引導(dǎo)RNA、與DNA結(jié)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支架的過程中，他意外地發(fā)現(xiàn)，重新連接兩個(gè)蛋白片段的方式會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。他說：“當(dāng)我們切割蛋白質(zhì)并將舊的片段移到新位置時(shí)，系統(tǒng)對(duì)如何將這兩個(gè)片段連接在一起變得非常敏感。我們意識(shí)到，我們可以利用這種敏感性來設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，使其具有蛋白酶識(shí)別位點(diǎn)。”這項(xiàng)研究表明，“在基因編輯蛋白質(zhì)方面，我們并沒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(zhuǎn)化成自然界中沒有的支架，使其具有在人體細(xì)胞中發(fā)揮作用的合適特性?！?Savage說道。
編譯：花花 審稿：alone 責(zé)編：張夢
聯(lián)系客服
