紧凑“基因剪刀”或为高胆固醇基因治疗开新路

CRISPR-Cas 在研究和医学中被广泛用于编辑、插入、删除或调节生物体中的基因。TnpB 是这种著名的“基因剪刀”的祖先，但它小得多，因此更容易运输到细胞中。

通过蛋白质工程和人工智能算法，苏黎世大学的研究人员现在增强了 TnpB 的能力，使 DNA 编辑更高效、更多样化，为未来治疗高胆固醇的基因缺陷铺平了道路。这项工作已在《自然方法》上发表。

CRISPR-Cas 系统由蛋白质和 RNA 成分组成，最初是作为细菌抵御入侵病毒的天然防御机制而开发的。在过去的十年中，对这些所谓的“基因剪刀”的重新设计彻底改变了科学和医学领域中的基因工程。

这些工具可以被编程以在我们的 DNA 中找到特定位置，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。

最近发现，Cas 蛋白是从小得多的蛋白质进化而来的，TnpB 是 Cas12 的祖先。由于 Cas 蛋白尺寸较大，在试图将其递送到体内正确的细胞时会带来挑战，最近的研究试图将其较小的进化祖细胞用作基因组编辑工具。

这些小型替代品存在的问题是其功能效率偏低。

如今，由苏黎世大学（UZH）药理与毒理研究所的杰拉尔德·施万克（Gerald Schwank）领衔的一个研究小组，与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的同事一道，解决了这个难题。

通过对小而强大的蛋白质 TnpB 进行改造，我们得以设计出一种变体，其修饰 DNA 的效率提高了 4.4 倍——这让它作为基因编辑工具更具效力，”施万克说道。

TnpB 蛋白质存在于各类细菌和古细菌当中。

研究人员所研究的 TnpB 来自耐辐射奇球菌。

紧凑的 TnpB 蛋白质此前已被证实可用于人类细胞的基因组编辑，不过，由于其在结合 DNA 时的识别要求，效率较低且靶向能力有限。

因此，研究人员优化了 TnpB，使其能够比原始蛋白质更有效地编辑哺乳动物细胞的 DNA。

“诀窍在于通过两种方式来修改该工具：首先，使其更有效地进入基因组 DNA 所在的细胞核，其次，使其也针对替代基因组序列，”施万克实验室的博士生、该研究的第一作者金·马夸特（Kim Marquart）说。

为了确定靶位点 DNA 序列中的哪些特征决定了基因组编辑效率，研究人员在 10,211 个不同的靶位点测试了 TnpB。与同样身为苏黎世大学教授的迈克尔·克劳瑟默（Michael Krauthammer）的团队合作，他们开发了一种新的人工智能模型，能够预测 TnpB 在任何给定靶位点的编辑效率。

“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更容易、更快捷。利用这些预测，我们在小鼠肝脏中实现了高达 75.3%的编辑效率，在小鼠大脑中实现了 65.9%的编辑效率，”马夸特补充道。

“由于它的体积小，TnpB 基因编辑系统能够被包装进单个病毒颗粒里。”马夸特说道。

相比之下，CRISPR-Cas9 组件得被包装进多个病毒颗粒里，这就意味着得使用更高的载体剂量。

在当前项目中，研究人员研究了 TnpB 工具是否可用于治疗家族性高胆固醇血症患者。这种遗传疾病会导致终身严重的高胆固醇升高状况，全球约有 3100 万人受其影响。该疾病增加了早发性动脉粥样硬化心血管疾病的风险。

“我们能够编辑调节胆固醇水平的基因，进而让接受治疗的小鼠的胆固醇降低将近 80％。目标是在人类中开发类似的基因编辑策略，以治疗高胆固醇血症患者，”施万克说。