發(fā)現(xiàn)小分子抑制劑可以精確控制CRISPR-Cas9基因組編輯
研究人員5月2日在Cell雜志上報道,首次發(fā)現(xiàn)化膿性鏈球菌Cas9(SpCas9)蛋白的小分子抑制劑可以更精確地控制基于CRISPR-Cas9的基因組編輯。
通過開發(fā)一系列高通量生物化學(xué)和基于細(xì)胞的分析,研究人員篩選了多種小分子,以鑒定破壞SpCas9與DNA結(jié)合從而干擾其切割DNA能力的化合物。這些第一種小分子CRISPR-Cas9抑制劑很容易進(jìn)入細(xì)胞,并且比先前發(fā)現(xiàn)的抗CRISPR蛋白小得多。這些新化合物可以對基于SpCas9的技術(shù)進(jìn)行可逆和劑量依賴性控制,包括其在哺乳動物細(xì)胞中進(jìn)行基因編輯,堿基編輯和表觀遺傳編輯的應(yīng)用。
這些研究為快速鑒定和使用針對SpCas9和下一代CRISPR相關(guān)核酸酶的小分子抑制劑奠定了基礎(chǔ)。靶向CRISPR相關(guān)核酸酶的小分子抑制劑具有在基礎(chǔ),生物醫(yī)學(xué)和國防研究以及生物技術(shù)應(yīng)用中廣泛使用的潛力。“
哈佛醫(yī)學(xué)院博士學(xué)院和布萊根婦女醫(yī)院的高級作者Amit Choudhary
目前,SpCas9正在開發(fā)作為多種疾病的基因治療劑,包括HIV,視力障礙,肌肉萎縮癥和其他遺傳性疾病。但是,這些治療應(yīng)用將極大地受益于對SpCas9活性的劑量和時間的精確控制以減少脫靶效應(yīng)??刂芐pCas9活動的這些方面也可以使其他應(yīng)用受益,例如有效編輯模型生物的DNA以模擬和研究疾病,以及基因驅(qū)動在基因工程蚊子工程蚊子中的使用,以遏制瘧疾和其他蚊子傳播疾病。
對SpCas9的劑量和時間控制的需求已經(jīng)產(chǎn)生了對抗CRISPR分子的需求。盡管存在靶向SpCas9的抗CRISPR蛋白,但它們很大并且對細(xì)胞不可滲透,在行動中不可逆轉(zhuǎn),可被蛋白酶咀嚼,并且可能在體內(nèi)造成不良免疫反應(yīng)的風(fēng)險。相反,小分子抑制劑是蛋白水解穩(wěn)定的,可逆的,并且通常是非免疫原性的,并且可以通過被動擴(kuò)散容易地遞送至細(xì)胞。此外,它們可以低成本大規(guī)模合成,幾批間差異很小。
使用這些分析,研究人員首先篩選了多類小分子的代表成員,以確定其成員經(jīng)常抑制SpCas9的類別。該團(tuán)隊確定了兩種先導(dǎo)化合物,這些化合物破壞了SpCas9在人類細(xì)胞系中以劑量依賴性方式結(jié)合DNA和抑制SpCas9介導(dǎo)的DNA切割的能力。由于它們通過酶阻斷DNA結(jié)合,因此這些分子還抑制SpCas9的催化受損技術(shù),包括用于轉(zhuǎn)錄激活的技術(shù),并且在人血漿中是穩(wěn)定的。在這項新研究中,Choudhary及其團(tuán)隊推出了一個強(qiáng)大,靈敏且可擴(kuò)展的平臺,用于快速,經(jīng)濟(jì)地鑒定和驗證SpCas9的小分子抑制劑。由于SpCas9酶的特性,以高通量方式測量CRISPR-Cas9活性以允許藥物篩選一直是具有挑戰(zhàn)性的。在新論文中,Choudhary及其同事分別開發(fā)了針對SpCas9-DNA結(jié)合和SpCas9 DNA切割活性的高通量初級和二級檢測。對于初步測定,他們使用稱為熒光偏振的生物化學(xué)技術(shù)來監(jiān)測SpCas9與含有PAM序列的熒光團(tuán)標(biāo)記的DNA片段之間的相互作用。在二級分析中,
“這些結(jié)果為CRISPR-Cas9活動的精確化學(xué)控制奠定了基礎(chǔ),使得能夠安全使用這些技術(shù),”Choudhary說。“然而,這些分子還沒有為人類應(yīng)用做好準(zhǔn)備,也沒有在生物體內(nèi)進(jìn)行功效測試。”
在未來的研究中,研究人員計劃在SpCas9:gRNA復(fù)合物上鑒定抑制劑的結(jié)合位點,檢查其作用機(jī)制,并優(yōu)化其效力。他們還將確定分子是否與哺乳動物細(xì)胞中的其他靶標(biāo)相互作用,并評估它們對其他CRISPR相關(guān)核酸酶的特異性。細(xì)胞論文中包含的早期結(jié)果表明,這些分子對其靶標(biāo)非常特異,因為它們對遠(yuǎn)緣相關(guān)的CRISPR酶Cas12a沒有影響。
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