Science：一种新的“mini-CRISPR”在肌肉中展示了它的编辑能力

时间：2025年2月21日

来源：sciencemag

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自从基因编辑策略CRISPR出现以来，它遇到了一个很大的限制：经典的CRISPR系统太笨重了，无法进入人体的许多组织并进行切片和切割。现在，加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna因帮助开发CRISPR而获得2020年诺贝尔奖，她与人共同创立了一家公司，该公司的研究人员正在报告他们希望这将是向前迈出的重要一步。在最近发布的预印本中，该团队描述了一种“mini-CRISPR”，它成功地植入了小鼠和猴子的肌肉细胞，在那里它有效地编辑了与神经肌肉疾病相关的基因。

在华盛顿大学（University of Washington）研究神经肌肉疾病基因编辑的Nic Bengtsson说，报道的内容“确实令人印象深刻”，他没有参与这项工作。他说，这种由基因治疗中常用的病毒携带到细胞中的微型基因编辑器，看起来很有希望成为一种“现成的系统，随时可以用于”各种情况。不过，他警告说，在该策略在人体中进行测试之前，问题和障碍仍然存在。

CRISPR最初是作为细菌免疫系统的一部分在细菌中进化而来的，它类似于一套分子剪刀，可以在精确的位置切割DNA，允许它在一条RNA链的帮助下切除基因的问题部分，并将其引导到合适的位置。2023年12月，美国监管机构批准了首个基于crispr的治疗方法，用于治疗镰状细胞病。这种治疗方法包括提取患者的血液干细胞，并在将其重新注入体内之前使用CRISPR对其进行修复。

将CRISPR的编辑机制直接送入血液的治疗方法的临床试验正在进行中，它已经成功地编辑了肝细胞中的基因。但是，这种将CRISPR蛋白包装成脂肪颗粒的方法尚未在其他组织中发挥作用，因为很少有脂质颗粒到达它们。相反，研究人员希望使用经过充分研究的腺相关病毒（AAV）来传递编码CRISPR的DNA， AAV通常用于传递基因治疗。然而，这样做是具有挑战性的，部分原因是CRISPR的组成部分体积庞大——尤其是切割DNA的Cas9酶，它通常包含1300多个氨基酸。在单个AAV中压缩太多的DNA，因此研究人员尝试使用两个或更多AAV来传递CRISPR及其引导RNA。但到目前为止，它的效果并不好。

多个研究团队一直在努力制作小型化的CRISPR系统，这种系统在编辑方面仍然有效，但可以被打包到一个AAV载体中。猛犸生物科学公司（Mammoth biosciences）的团队就是其中之一，他们可能已经取得了成功。该公司的科学家们首先筛选了微生物中出现的各种CRISPR变种的基因序列数据。他们对最初的176名候选人进行了“一连串的测试”，并找到了“大海捞针”，公司首席科学官兼联合创始人Lucas Harrington说，他曾是Doudna的学生。他们将这个最佳选择命名为NanoCas；它有425个氨基酸，大约是Cas9长度的三分之一。Harrington和他的同事们对它进行了改造，使其能够有效地切割哺乳动物的DNA。

这种缩小使得编辑系统的DNA能够容纳在单个AAV载体中。研究小组在实验室中展示了NanoCas可以在各种哺乳动物细胞中编辑DNA，然后转移到小鼠体内。当他们用它来关闭肝脏中称为PCSK9的胆固醇基因时，NanoCas成功地编辑了大约60%的细胞，其表现至少与Cas9一样好。

然后，他们转向了传统CRISPR更难对付的目标：肌肉。他们测试了NanoCas是否可以靶向肌肉细胞中的一种叫做肌营养不良蛋白的基因，这种基因编码一种关键的支架蛋白。杜氏肌营养不良症是一种毁灭性的肌肉萎缩疾病，通常在儿童早期出现，患有这种疾病的人在该基因上发生了突变，无法产生任何或足够的功能性蛋白质。

在携带人类版本突变的肌营养不良蛋白基因的小鼠中，NanoCas策略似乎效果良好，编辑了包括心脏和小腿肌肉在内的一系列肌肉类型的10%至40%的细胞。（这些经过基因改造的老鼠不会像基因突变的人那样生病，因此研究小组无法评估对杜氏症状的潜在影响。）

最后，在三只健康的猕猴身上进行了一项大型测试。研究人员将携带含有crispr的病毒载体DNA及其引导RNA的AAV注入动物的血液中。他们监测肝功能，因为肝损伤可能是AAV治疗的风险；他们发现，这一指标和其他健康指标都在正常范围内。根据肌肉类型，NanoCas编辑了多达30%的猴子骨骼肌细胞中的肌营养不良蛋白基因；心肌的比例稍低，约为15%。

基因治疗专家、麻省大学陈曾熙医学院（University of Massachusetts T.H. Chan School of Medicine）院长Terence Flotte说，这些水平“肯定在你期望的具有临床意义的范围内”。

但他和其他人指出，现在还为时尚早。目前还没有关于这种策略是否能帮助生病的动物好转的信息。AAV也有风险，包括免疫反应和潜在的“脱靶”效应，在这种情况下，健康的DNA会受到意外影响。“他们的初步数据令人鼓舞”，但“有限”，斯坦福大学基因治疗师Mark Kay说。尽管如此，他还是为这种微型CRISPR能够轻易地植入AAV载体而感到振奋，他指出，这开辟了大量新的组织靶点，包括杜氏症——一种迫切需要新治疗方法的疾病。

Harrington承认存在挑战，包括对自动驾驶汽车的担忧，但他对未来的发展充满希望。他说：“事实上，我们现在可以非常有效地使用单个AAV进行编辑”，这使得将CRISPR植入体内并编辑以前无法进入的组织“不仅仅是理论上的”

Harrington说，Mammoth将继续研究Duchenne，并将其NanoCas系统用于与其他肌肉疾病和脑部疾病相关的目标。“我们真的在努力思考，‘我们能尽快做些什么？’”