《自然方法》：更小的基因组编辑工具！

CRISPR-Cas广泛应用于研究和医学，用于编辑、插入、删除或调节生物体中的基因。TnpB是这种众所周知的“基因剪刀”的祖先，但它要小得多，因此更容易运输到细胞中。利用蛋白质工程和人工智能算法，UZH的研究人员现在已经增强了TnpB的能力，使DNA编辑更高效、更通用，为未来治疗高胆固醇遗传缺陷铺平了道路。

　　

CRISPR-Cas系统由蛋白质和RNA组成，最初是作为细菌抵御入侵病毒的天然防御机制而开发的。在过去的十年里，重新设计这些所谓的“基因剪刀”已经彻底改变了科学和医学上的基因工程。这些工具可以通过编程找到我们DNA中的特定位置，并以精确的方式编辑遗传信息。例如，DNA中的致病突变可以恢复到健康状态。

更小的基因组编辑工具

最近发现，Cas蛋白是从更小的蛋白进化而来，TnpB是Cas12的祖蛋白。由于Cas蛋白的大尺寸在试图将它们运送到体内正确的细胞时带来了挑战，最近的研究试图使用它们较小的进化祖细胞作为基因组编辑工具。这些小型替代品的问题在于它们的效率较低。苏黎世大学(UZH)药理学和毒理学研究所的Gerald Schwank领导的一个研究小组与苏黎世联邦理工学院的同事们一起解决了这个问题。Schwank说:“通过设计小而强大的蛋白质TnpB，我们能够设计出一种变体，其修饰DNA的效率提高了4.4倍，使其成为一种更有效的基因编辑工具。”

TnpB蛋白存在于多种细菌和古生菌中。研究人员研究的TnpB来自耐辐射球菌。这种微生物能在寒冷、脱水、真空和酸性环境中生存，是人类已知的最抗辐射的生物之一。紧凑的TnpB蛋白先前已被证明可用于人类细胞的基因组编辑，尽管由于结合DNA时需要识别，其效率较低且靶向能力有限。

结合能力强，靶序列范围广

因此，研究人员对TnpB进行了优化，使其比原始蛋白质更有效地编辑哺乳动物细胞的DNA。

该研究的第一作者Kim Marquar说:“关键是要从两个方面修改工具:首先，让它更有效地进入基因组DNA所在的细胞核，其次，让它也能靶向其他基因组序列。”

为了确定目标位点DNA序列中的哪些特征决定了基因组编辑效率，研究人员在10211个不同的目标位点测试了TnpB。他们与苏黎世大学教授Michael Krauthammer的团队合作，开发了一种新的人工智能模型，能够预测任何给定目标位点的TnpB编辑效率。“我们的模型可以预测TnpB在不同情况下的工作效果，使设计成功的基因编辑实验变得更容易、更快。利用这些预测，我们在小鼠肝脏和小鼠大脑中分别实现了75.3%和65.9%的效率。”

高胆固醇基因缺陷的基因编辑治疗

“对于动物实验，我们能够使用临床可行的腺相关病毒载体有效地将工具运输到小鼠细胞中。由于其体积小，TnpB基因编辑系统可以包装成单个病毒颗粒，”相比之下，CRISPR-Cas9组件必须包装成多个病毒颗粒，这意味着需要使用更高的载体剂量。

在当前的项目中，研究人员研究了TnpB工具是否可以用于治疗家族性高胆固醇血症患者。这种遗传性疾病导致终生严重升高的高胆固醇，影响全球约3100万人。这种疾病增加了早发性动脉粥样硬化性心血管疾病的风险。

“我们能够编辑一种调节胆固醇水平的基因，从而将治疗小鼠的胆固醇降低近80%。我们的目标是在人类身上开发类似的基因编辑策略，以治疗患有高胆固醇血症的患者，”Gerald Schwank说。