张燕Cell子刊发文：找到了第一个抗CRISPR蛋白

CRISPR是细菌用来保护自己免受病毒侵害的一种免疫系统，科学家们利用它的强大功能编辑细胞内的遗传信息。事实上，美国食品和药物管理局最近批准了第一种基于 CRISPR 的疗法，用在 2023 年 12 月治疗镰状细胞病。这种疗法基于一种经过深入研究的系统，即 CRISPR-Cas9 基因剪刀。

然而，一种更新、更独特的平台，即I型CRISPR或CRISPR-Cas3，具有进行大尺寸DNA切除的潜力，正在等待潜在的治疗用途。

密歇根大学医学院生物化学系助理教授Yan Zhang博士及其康奈尔大学的合作者进行了一项新研究，开发出了有助于提高I-C/Cas3型基因编辑器安全性的关闭开关。

这项研究发表在《分子细胞》杂志上。

Zhang团队利用细菌和感染它们的病毒(噬菌体)之间的军备竞赛，从抗CRISPR蛋白中开发出CRISPR关闭开关，噬菌体已经进化出对抗细菌CRISPR免疫的抗CRISPR蛋白。

抑制Cas9的抗CRISPR蛋白已在实验环境中用于减少CRISPR的“脱靶”效应。这种影响是由于Cas9作用于身体或基因组的非预期的非目标部分，并进行不希望的编辑，这可能导致诸如癌症风险增加等不利结果。

“当使用CRISPR-Cas9编辑人类基因组时，提供抑制蛋白可以帮助减轻脱靶效应并提高安全性，这是因为当CRISPR试剂过量或它们在细胞中停留时间过长时，往往会发生脱靶。应用抑制剂来限制CRISPR作用的数量或持续时间已被证明可以有效地减少脱靶编辑，同时保持靶编辑。”Zhang说。

Zhang团队着手开发一种强大的关闭开关，用于他们之前从乳酸菌中发现的高效Cas3系统，乳酸菌是一种无害地生活在人类上呼吸道的细菌。他们筛选了所有已知的抗CRISPRs，这些抗CRISPRs被报道为来自不同细菌有机体的其他Cas3变体的抑制剂，他们发现两个：AcrIC8和AcrIC9，对Neisseria Cas3具有很强的交叉反应作用。

接下来，研究小组想要更多地了解它们是如何工作的，因为“它们的工作原理将为每种抗CRISPR技术能控制哪种基于Cas3的技术提供信息，”Zhang说。

通过密歇根大学的遗传和生化研究以及康奈尔大学的低温电镜分析，他们在分子水平上确定了AcrlC8和AcrlC9的作用机制和结构。新研究报告说，这两种蛋白质都能阻止CRISPR-Cas3机器与DNA靶位点结合，但机制略有不同。

Zhang说:“从Ke Ailong实验室的工作来看，在原子水平上看到这一点确实令人惊讶，他们采用了一种非常明确的策略——与DNA竞争，与Cas机制结合，这是一种非常有效的阻断Cas蛋白功能的方法。”

最后，Zhang团队提供了关键的概念验证证据，证明这些抗CRISPR蛋白中的每一种都可以作为人类细胞中CRISPR-Cas3的关闭开关。它们几乎可以完全阻断两种版本的CRISPR-Cas3技术，一种用于大基因组删除，另一种用于基因激活，这使它们成为任何CRISPR-Cas3基因编辑器开发的第一个关闭开关。

“带有关闭开关的Cas3将是一种更安全的基因工程方法。”她的实验室计划与密歇根大学医学院的同事合作，利用新发现的关闭开关，进一步开发基于CRISPR-Cas3的治疗方法，用于治疗各种人类疾病。

康奈尔大学博士Chunyi Hu和密歇根大学博士生Mason Myers是该手稿的第一作者。“看到Mason作为一名崭露头角的年轻科学家飞速成长，我感到非常欣慰。作为我组的一名三年级博士生，他已经表现出了很大的潜力。”Zhang说。

注：康奈尔大学分子生物学和遗传学柯爱龙博士，和Robert J. Appel教授是本文的共同通讯作者。

原文标题：

Exploiting Activation and Inactivation Mechanisms in Type I-C CRISPR-Cas3 for 3 Genome Editing Applications