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精準基因編輯︰新研發CRISPR-Cas9蛋白提高基因編輯技術精準度

City University of Hong Kong

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IMAGE: 團隊研發出SaCas9-HF,能應用於在要求高精準的基因編輯。 view more 

Credit: City University of Hong Kong

由香港城市大學(香港城大)和瑞典卡羅琳醫學院合組的一支研究團隊,最近成功研發出一種新的蛋白質,有助提高基因組編輯過程中定位的精準度,相信對未來要求高精準度的人類基因治療可發揮重要作用。

CRISPR-Cas9(成簇、規律、間隔、短回文的重複序列及其相關蛋白9)是一種具有廣泛應用前景的基因編輯技術,可用於治療多種遺傳病和開發抗旱農作物等,而使用CRISPR-Cas9治療癌症、血液病和眼疾的臨床試驗亦正在進行。

原位修復遺傳缺陷

CRISPR-Cas9使修改或編輯基因變得非常簡單,因而被公認為強大的基因編輯工具。傳統的基因療法是將額外的正常基因引入細胞,而CRISPR-Cas9的不同之處,在於透過移除或糾正有問題的DNA(脫氧核糖核酸),恢復正常的基因功能,原位「修復」遺傳缺陷。

在基因編輯的過程中,Cas9酶負責在進行修改之前,要在整個浩瀚的基因組中搜索並鎖定有問題的或待編輯的目標DNA片段(可謂超過億裡挑一的難度),稱為基因靶向定位。但有時靶向定位可能不夠精準,可能會在基因組非目標的位置修改了DNA,造成脫靶編輯。這種基因組意外改變有機會導致嚴重的後果,如引發癌症,就像多年前最初進行基因治療試驗時出現的情況。因此,要令CRISPR-Cas9能夠對基因組進行精準的「分子手術」,是非常重要的。

現時CRISPR基因編輯技術中常用的Cas9酶有兩種版本:SpCas9(來自化膿性鏈球菌的Cas9核酸酶)和SaCas9(來自金黃色葡萄球菌的Cas9核酸酶)。在一定程度上,兩者會出現不精準或出現脫靶效應(即偏離目標)的情形。先前研究人員已改良了SpCas9,設計出SpCas9變體,提高其靶向精準度。可是,這種SpCas9變體的體積太大,不易被裝入常用於傳遞體內基因治療、而容量細小的腺相關病毒(adeno-associated virus, AAV)載體中。

相反,SaCas9的體積比SpCas9小得多,很容易被裝入負載能力有限的AAV載體中,以便在體內傳遞基因編輯的「分子手術刀」。然而,至今仍未有基因組靶向準確性高的SaCas9。

SaCas9-HF變體大幅提高全基因組靶向精準度

由香港城大生物醫學系兼卡羅琳醫學院劉鳴煒復修醫學中心助理教授鄭宗立博士,以及香港城大生物醫學系助理教授史家海博士領導的研究團隊,針對普通SaCas9靶向定位不夠精准的問題,最近成功開發出一種CRISPR SaCas9變體,名為SaCas9-HF,能在人類細胞全基因組內精准靶向定位,而不會影響在目標位置的編輯效率。

研究團隊對比野生型(即未經變異)SaCas9和新型SaCas9-HF的性能,針對24個人類基因位置進行了嚴格的測試。他們發現,對於在基因組中具有高度相似序列的目標基因位置,野生型SaCas9因而容易編輯脫靶,SaCas9-HF則將脫靶效應降低約九成;對於野生型SaCas9較少出現編輯脫靶的目標基因位置,SaCas9-HF則幾乎無法檢測到脫靶的情況。

SaCas9基因組編輯應用的替代方案

「我們研發出SaCas9-HF,成為野生型SaCas9的替代方案,能在要求高度精準的基因編輯時應用。這種新型的SaCas9對於未來使用AAV載體在體內傳送基因組編輯『藥物』或稱為『分子手術刀』的基因療法特別有用,並將可與最新研發、能夠『搜索並替換』目標基因的CRISPR平臺『先導編輯』(prime editing)相容。」鄭博士說。

此項研究結果早前在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,PNAS)上發表,題為「Rationally engineered Staphylococcus aureus Cas9 nucleases with high genome-wide specificity」。史博士和鄭博士是論文的通訊作者,香港城大生物醫學系博士生譚元燕和劉鳴煒復修醫學中心高級研究助理Athena H. Y. Chu博士是共同第一作者。

其他研究團隊成員包括香港城大生物醫學系助理教授熊文君博士、研究助理鮑思羽(現於劉鳴煒復修醫學中心任職)、博士生Hoang Anh Duc和Firaol Tamiru Kebede,以及中山市人民醫院季明芳教授。

此項研究獲得香港城大、劉鳴煒復修醫學中心、國家自然科學基金委員會、瑞典研究理事會、香港政府創新及科技基金、香港醫療衛生研究基金、香港研究資助局、深圳市科技創新委員會以及深圳市醫療衛生三名工程的支援。

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