生物通報道  來自哈佛-麻省理工Broad研究所、麻省理工學院和國立衛生研究院國家生物技術信息中心的研究人員，在一項合作研究中發現了一種高效的Cas9核酸酶，攻克了體內基因組編輯面臨的一個主要挑戰。發表在《自然》（Nature）雜志上的研究結果，預計將有助于CRISPR工具箱更容易地應用于體內實驗和治療用途。

最早在細菌中被發現，CRISPR-Cas9系統能夠切割DNA，充當了對抗病毒感染的一個重要防御機制。盡管許多的微生物物種都擁有這一系統，研究人員優先選擇改造了來自化膿鏈球菌的Cas9酶(SpCas9)來改變高等生物的DNA，并已成為一系列高度通用的基因組修飾技術的基礎。

要想擾亂成體動物中的基因，必須要利用一些載體將CRISPR-Cas9系統的關鍵元件導入到細胞中。由于不會引起人類疾病并已在歐洲獲得臨床監管機構的批準，腺相關病毒(AAV)被視為是最有前景的候選載體之一。然而，AAV微小的負載能力使得同時包裝SpCas9酶和其他基因編輯必需的元件進入到單個病毒顆粒中成為一個挑戰。

新研究工作介紹了一種來自金黃色葡萄球菌的Cas9核酸酶(SaCas9)，它比SpCas9小25%，從而為AAV的包裝問題提供了一個解決方案。

Broad研究所核心成員、麻省理工學院McGovern腦研究所研究員張鋒（Feng Zhang）領導的研究小組，與麻省理工學院教授Phillip Sharp及國家生物技術信息中心的Eugene Koonin合作，著手鑒別出了一種更小的Cas9酶，它既可以復制當前SpCas9系統的效率，并且容許包裝到諸如AAV一類的載體中。研究人員一開始利用比較基因組學分析了來自600多種不同類型細菌的Cas9s，選擇了6個較小的酶進行進一步研究（延伸閱讀：張鋒博士Cell：讓CRISPR在癌癥領域大放異彩 ）。

Koonin說：“通過篩查600個左右可獲得的Cas9序列，我們發現了一組酶結構域是完整的，而非酶部分被大大截短的小變異體。幸運的是，其中一個較小的Cas9蛋白被證實適合開發論文描述的這種方法。我們現正在積極地探索Cas9和相關蛋白的多樣性，希望能夠找到一些有潛力促成更強大工具的新變種。”

經過嚴格的測試，證實只有來自金黃色葡萄球菌的Cas9在哺乳動物細胞中的DNA切割效率與SpCas9相當。該研究小組隨后利用了由卡羅林斯卡學院的Nicola Crosetto和法蘭克福歌德大學的Ivan Dikic開發的一種方法BLESS，來確定了整個基因組空間中存在的意外的“脫靶”情況。再一次證實了SaCas9和SpCas9具有相當的DNA靶向精確度。

研究利用AAV/SaCas9介導靶向一種有前景的藥物靶點PCSK9，證實了它的體內基因編輯能力。在人體內PCSK9喪失與心血管疾病風險降低及LDL膽固醇水平下降相關聯。在小鼠模型中，研究人員觀察到給予AAV/SaCas9后一周血液中的PCKS9幾乎完全耗盡，總膽固醇下降40%。小鼠未表現出明顯的炎癥或免疫反應跡象。

研究的共同第一作者Fei Ann Ran說：“盡管我們在這一原理證明研究中選擇的是治療相關靶點PCSK9，我們的更大目標是開發出通用、高效的系統來擴大我們在體內編輯基因組的能力。”

更廣泛來說，SaCas9預計將提高科學家們利用動物模型篩查突變效應的能力，更好地了解基因功能。在未來，或許可以改造它來實現靶向基因表達調控，利用它來擴大我們對于細胞中轉錄和表觀遺傳調控的認識。

資深作者張鋒說，下一步是比較兩種Cas9s，希望能夠發現一些進一步優化這一系統的方法。

張鋒說：“這一研究突顯了利用比較基因組分析來擴展CRISPR-Cas9工具箱的能力。我們的長期目標是將CRISPR開發為一種治療平臺。這一新的Cas9為擴大我們的Cas9清單，幫助我們構建出更好的疾病模型，鑒別出一些機制，以及開發出新療法提供了一個支架。”

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文摘要：

In vivo genome editing using Staphylococcus aureus Cas9

The RNA-guided endonuclease Cas9 has emerged as a versatile genome-editing platform. However, the size of the commonly used Cas9 from Streptococcus pyogenes (SpCas9) limits its utility for basic research and therapeutic applications that use the highly versatile adeno-associated virus (AAV) delivery vehicle. Here, we characterize six smaller Cas9 orthologues and show that Cas9 from Staphylococcus aureus (SaCas9) can edit the genome with efficiencies similar to those of SpCas9, while being more than 1 kilobase shorter. We packaged SaCas9 and its single guide RNA expression cassette into a single AAV vector and targeted the cholesterol regulatory gene Pcsk9 in the mouse liver. Within one week of injection, we observed >40% gene modification, accompanied by significant reductions in serum Pcsk9 and total cholesterol levels. We further assess the genome-wide targeting specificity of SaCas9 and SpCas9 using BLESS, and demonstrate that SaCas9-mediated in vivo genome editing has the potential to be efficient and specific.