Cell：一种小而强大的基因编辑工具

　　

日本科学家近日开发出一种新的基因编辑工具，有望为遗传病患者带来更好的治疗。这种工具是一种名为AsCas12f的酶，它经过改造后与基因编辑常用的Cas9酶具有相同的功效，但大小只有三分之一。体积小巧意味着人们可将更多的东西包装到载体病毒并递送到活细胞中，使得基因编辑更有效。

这篇题为“An AsCas12f-based compact genome-editing tool derived by deep mutational scanning and structural analysis”的论文于9月29日发表在《Cell》杂志上。

研究人员创建了一个AsCas12f突变库，然后将精选突变组合在一起，设计出一种编辑能力比原始未突变类型高10倍的AsCas12f酶。他们已经成功地在小鼠身上测试了这种酶，未来有望对患者进行更有效的治疗。

众所周知，CRISPR系统是一种基因编辑工具，让研究人员能够替换和改变DNA片段。科学家们在利用这种工具来改造蚊子，使其无法传播疟疾，或用其来改造粮食作物，使其更营养、更美味。近年来还开展了一些人体试验，以攻克一些极具挑战性的疾病和遗传病。

不过，Cas9酶仍存在局限性。将遗传物质递送到宿主细胞的常用方法是使用改良的病毒作为载体。腺相关病毒（AAV）对患者无害，可以进入许多不同类型的细胞，引入Cas9酶，与其他一些方法相比，引发不良免疫反应的可能性较低。

然而，就像任何快递服务一样，它也有大小限制。东京大学生物科学系的Osamu Nureki教授解释说：“Cas9已经达到了这种大小限制的极限，因此人们需要一种更小的Cas蛋白，有效地包装到AAV中，作为基因组编辑工具。”

因此，研究团队致力于开发一种更小的Cas酶，它具有同样的活性，但效率更高。他们从嗜热细菌Axidibacillus sulfuroxidans中找到了一种名为AsCas12f的酶。这种酶的优势在于它是目前发现的最小巧的Cas酶之一，其大小不到Cas9的三分之一。然而，在之前的测试中，它在人类细胞中几乎没有表现出任何基因组活性。

Nureki教授解释说：“我们利用一种称为深度突变扫描的筛选方法，将AsCas12f的每个氨基酸残基替换成所有生命赖以生存的20种氨基酸，从而建立了一个潜在的新型候选库。由此，我们确定了200多个可增强基因组编辑活性的突变。”

“再结合AsCas12f的结构分析，我们选择了一些可增强活性的氨基酸突变来创建一种改良的AsCas12f。与普通的AsCas12f相比，这种改造后的AsCas12f具有10倍以上的基因组编辑活性，与常用的Cas9酶相当，但体积却小得多。”

研究团队已经对AsCas12f系统进行了动物试验，将其与其他基因结合起来，并注射到小鼠中。与提取细胞、在实验室编辑细胞并将其重新植入患者体内相比，直接注射到体内的方法更为可取，因为耗时更短，成本更低。动物试验的成功表明，经过改造的AsCas12f有望应用于人类基因治疗，比如治疗血友病。

研究人员发现了许多潜在有效的组合，可用于AsCas12f基因编辑系统的改造，因此他们承认，此次选择的突变可能并非所有可用组合中的最优组合。下一步，他们打算采用计算建模或机器学习来筛选组合，并预测哪些组合能带来更好的改进。

“将AsCas12f的基因组编辑活性提升到与Cas9相当的水平是一项重大成就，也是开发新型基因组编辑工具的重要一步，”Nureki教授说。“对我们来说，基因疗法的关键在于它能真正帮助患者。利用我们开发的AsCas12f，我们的下一个挑战是真正实施基因治疗，帮助那些被遗传病困扰的患者。”