子科生物（https://show.guidechem.com/zikerbio/）报道：“CRISPR可以是简单的剪切器，也可以是更高级的调节器、编辑器、标签器或成像器。这个令人兴奋的领域正在涌现出许多应用，”基因编辑领域专家、斯坦福大学生物工程系和化学与系统生物学系助理教授亓磊表示。

目前许多不同的CRISPR系统被临床用于检测疾病或者用于基因治疗，例如眼睛,肝脏和大脑。然而应用范围仍然有限，这是因为它们都受到相同的缺陷：它们太大,因此,很难传递到细胞、组织或生物体。

在9月3日发表在Molecular Cell杂志上的一篇论文中，亓磊教授等人宣布了CRISPR向前迈出的重要一步：一个高效、多功能的迷你CRISPR系统。通常使用的CRISPR系统——如Cas9和Cas12a，表示不同版本的CRISPR相关(Cas)蛋白质，它们由大约1000到1500个氨基酸组成，而新系统“CasMINI”只有529个氨基酸。

研究人员在实验中证实，CasMINI可以删除、激活和编辑遗传密码，就像它更强大的同类产品一样。更小的尺寸意味着它更容易进入人体细胞和人体，使其成为治疗各种疾病的潜在工具。

持久的努力

为了使系统尽可能小，研究人员决定从CRISPR蛋白Cas12f(也被称为Cas14)开始，因为它只包含400到700个氨基酸。然而，与其他CRISPR蛋白一样，Cas12f天然来源于古菌(单细胞生物)，这意味着它并不适合哺乳动物细胞，更不用说人类细胞或身体了。目前已知，只有少数CRISPR蛋白在哺乳动物细胞中工作时没有经过修饰。不幸的是，CAS12f不在其中。而这对像亓磊这样的生物工程师来说是一个诱人的挑战。

“我们想，‘好吧，数百万年的进化还没能把这个CRISPR系统变成在人体中发挥作用的东西。我们能在一两年内改变这一点吗? 据我所知，我们第一次把一个失效的CRISPR变成了一个有效的CRISPR”，亓磊说。

事实上，亓磊实验室的博士后学者、这篇论文的第一作者Xiaoshu Xu在人类细胞中没有发现天然Cas12f的活性。他们俩推测，问题在于人类基因组DNA比微生物DNA更复杂，更难以接近，使得Cas12f很难在细胞中找到它的目标。通过观察Cas12f系统的计算预测结构，Xu仔细选择了蛋白质中大约40种可能绕过这一限制的突变，并建立了一条同时测试多种蛋白质变体的管道。理论上，一种有效的变异可以通过激活人类基因组中的绿色荧光蛋白(GFP)将人类细胞变成绿色。

“起初，这个系统有一年根本不起作用，”Xu说，“但经过反复的生物工程，我们看到一些工程蛋白开始启动，就像魔术一样。这让我们真正认识到了合成生物学和生物工程的力量。”

第一次成功的结果并不明显，但这让他们兴奋不已，并鼓励Xu继续努力，因为这意味着这个系统成功了。经过多次重复，她能够进一步提高蛋白质的性能。“我们一开始只看到两个细胞显示绿色信号，现在经过工程处理，在显微镜下几乎每个细胞都是绿色的。”

“在某个时刻，我不得不阻止她，”亓磊回忆说，“我说‘现在还行。你做了一个很好的系统。我们应该考虑这种分子的应用。’”

除了蛋白质工程，研究人员还设计了引导Cas蛋白到目标DNA的RNA。对这两个组成部分的修改对于使CasMINI系统在人类细胞中工作至关重要。他们测试了CasMINI在实验室人类细胞中删除和编辑基因的能力，包括与艾滋病毒感染、抗肿瘤免疫反应和贫血相关的基因。它几乎对他们测试的每一个基因都起作用，在几个基因上有强大的反应。

打开了大门

研究人员已经开始与其他科学家合作，寻求基因疗法。他们还对如何促进RNA技术的进展感兴趣，比如用于开发COVID-19 mRNA疫苗的技术，在这些技术中，大小也可能是一个限制因素。

他说:“从CRISPR技术的早期开始，这个领域就需要这种设计这些系统的能力，我觉得我们为实现这一现实尽了自己的一份力。”“这种工程方法的用处非常广泛。这就是让我兴奋的——为新的可能性打开大门。”