CRISPR-Cas在研究和医学领域被广泛用于编辑、插入、删除或调节生物体内的基因。TnpB是这种著名“基因剪刀”的祖先，但它的体积更小，因此更容易进入细胞。
苏黎世大学的研究人员利用蛋白质工程和人工智能算法，增强了TnpB的功能，使DNA编辑更加高效和灵活，为未来治疗高胆固醇基因缺陷铺平了道路。这项研究发表在《自然方法》杂志上。
CRISPR-Cas系统由蛋白质和RNA成分组成，最初是作为细菌抵御病毒入侵的天然防御机制而开发的。在过去十年中，对这些所谓的“基因剪刀”进行重新设计，彻底改变了科学和医学领域的基因工程。
这些工具可以编程来找到我们DNA中的特定位置，并以精确的方式编辑遗传信息。例如，DNA中致病的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蛋白是从小得多的蛋白质进化而来的，其中TnpB是Cas12的前身。由于Cas蛋白的体积较大，在试图将它们输送到体内的正确细胞时会造成困难，因此最近的研究尝试使用它们较小的进化前身作为基因组编辑工具。
这些小型替代品的问题在于它们的作用效率较低。苏黎世大学(UZH)药理学和毒理学研究所的GeraldSchwank领导的研究小组与苏黎世联邦理工学院的同事一起攻克了这一难题。
Schwank说：“通过改造小而强大的蛋白质TnpB，我们能够设计出一种变体，使修改DNA的效率提高4.4倍，从而使其成为更有效的基因编辑工具。”
TnpB蛋白存在于多种细菌和古细菌中。研究人员研究的TnpB来自细菌Deinococcusradiodurans。这种微生物能在寒冷、脱水、真空和酸性条件下生存，是人类已知的最耐辐射的生物之一。
紧凑型TnpB蛋白此前已被证明可用于人类细胞的基因组编辑，但由于其结合DNA时需要识别，因此效率较低且靶向能力有限。
结合能力更强，DNA靶序列范围更广
因此研究人员对TnpB进行了优化，使得它比原始蛋白质更有效地编辑哺乳动物细胞的DNA。
“诀窍在于以两种方式修改该工具：首先，使其更有效地进入基因组DNA所在的细胞核;其次，使其也能针对其他基因组序列，”Schwank实验室的博士生兼研究第一作者KimMarquart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。他们与苏黎世大学教授MichaelKrauthammer的团队合作，开发了一种新的人工智能模型，能够预测任何给定靶位点的TnpB编辑效率。
“我们的模型可以预测TnpB在不同情况下的效果，从而更容易、更快地设计成功的基因编辑实验。利用这些预测，我们在小鼠肝脏中实现了高达75.3%的效率，在小鼠大脑中实现了高达65.9%的效率，”Marquart补充道。
高胆固醇遗传缺陷的基因编辑治疗
“对于动物实验，我们能够使用临床上可行的腺相关病毒载体有效地将这些工具运送到小鼠细胞中。由于体积小，TnpB基因编辑系统可以包装成单个病毒颗粒，”Marquart说。
相比之下，CRISPR-Cas9组件必须包装到多个病毒颗粒中，这意味着需要应用更高的载体剂量。
在目前的项目中，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。这种遗传性疾病会导致终生高胆固醇水平严重升高，影响全球约3100万人。这种疾病会增加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，从而将接受治疗的小鼠的胆固醇水平降低近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，”Schwank说道。