近日,基础医学院荣知立团队通过空间结构优化和AI结构预测,显著提升了小型CRISPR-Cas12f系统的基因编辑效率,为精准高效的基因治疗提供了新的技术手段。
CRISPR-Cas系统作为一种基因编辑工具,因其高效性和精准性,在医学研究和疾病治疗中具有重要价值和巨大潜力。然而,传统CRISPR-Cas系统(如SpCas9和LbCas12a)体积较大,限制了其在腺相关病毒(AAV)等载体中的包装效率,进而影响了其体内应用潜力。因此,开发体积更小、效率更高且特异性更强的基因编辑工具,已成为基因治疗领域亟待解决的科学问题,也是推动基因治疗技术走向临床应用的关键所在。Cas12f蛋白因体积小、递送效率高而备受关注,但其较低的编辑效率限制了其应用场景。
为了突破小型CRISPR-Cas12f基因编辑工具的局限性,本研究团队采用空间结构优化策略,对Un1Cas12f1变体CasMINI进行了创新性改造。通过在其N端引入α螺旋结构,提升CasMINI的结构稳定性,并成功构建了新型的hpCasMINI系统。该系统仅在原有529个氨基酸的基础上增加了25个氨基酸,却实现了基因编辑能力的显著提升。实验表明,hpCasMINI在哺乳动物细胞中的基因激活效率比CasMINI提高了1.4至3.0倍,DNA切割活性提高了1.1至19.5倍,同时保持了极高的特异性,并在体内小鼠实验中得到了充分验证。与常用的SpCas9和LbCas12a相比,hpCasMINI在基因激活方面表现出色,尽管在部分位点的切割效率上仍有提升空间,但其特异性优势尤为显著。此外,团队还结合AlphaFold结构预测技术,开发了其他迷你化的CRISPR-Cas12f系统,如hpOsCas12f1和hpAsCas12f1。这些系统同样展现出更高的DNA切割活性和基因激活能力,进一步拓展了迷你化CRISPR系统的应用潜力,为基因编辑技术的发展提供了新的思路和工具。

小型Cas12f1系统空间结构优化模式图
该研究以“hpCasMINI: An engineered hypercompact CRISPR-Cas12f system with boosted gene editing activity”为题,在Nature Communications上发表。广州医科大学教授马淑凤、南方医科大学博士研究生基础医学院廖凯彤为共同第一作者,南方医科大学基础医学院教授荣知立为通讯作者。