劉濤團(tuán)隊(duì)在《Molecular Cell》上發(fā)文報(bào)道Cas12a高效基因編輯系統(tǒng)
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2021年10月13日，藥學(xué)院天然藥物及仿生藥物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉濤研究員團(tuán)隊(duì)在國際著名期刊Molecular Cell（IF=17.970）發(fā)表了最新研究成果 “Improving the efficiency of CRISPR-Cas12a based genome editing with site-specific covalent Cas12a-crRNA conjugates” 。
CRISPR技術(shù)自報(bào)道以來發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的基因組編輯與基因調(diào)控，在基因遺傳病的治療中展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>CRISPR/Cas12a相較于目前最為常用的CRISPR/Cas9系統(tǒng)具有更低的脫靶率和不同的識別序列，是一種更為精確的基因編輯系統(tǒng)，有望為臨床治療提供更為安全的基因編輯工具。然而，由于Cas12a系統(tǒng)的基因編輯效率較低，嚴(yán)重限制了其發(fā)展應(yīng)用。因此改善Cas12a系統(tǒng)的基因組編輯效率，是一個(gè)亟待解決的科學(xué)問題。CRISPR/Cas12a編輯系統(tǒng)由蛋白質(zhì)和核酸兩個(gè)部分組成：核酸酶Cas12a蛋白負(fù)責(zé)切割基因組DNA，向?qū)?/span>RNA（crRNA）則通過堿基互補(bǔ)配對的方式引導(dǎo)核酸酶到指定基因組位點(diǎn)進(jìn)行切割。針對這一科學(xué)問題，劉濤研究員團(tuán)隊(duì)從化學(xué)的視角理解基因編輯事件，并提出蛋白質(zhì)核酸共價(jià)偶聯(lián)復(fù)合物的策略，既通過生物正交反應(yīng)實(shí)現(xiàn)Cas12a與crRNA的共價(jià)交聯(lián)，從而將基因編輯中Cas12a、crRNA與基因組DNA之間的三分子反應(yīng)轉(zhuǎn)化為兩分子反應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)編輯效率的提升。
蛋白質(zhì)核酸共價(jià)偶聯(lián)復(fù)合物的核心難題在于如何實(shí)現(xiàn)Cas12a和crRNA的偶聯(lián)而不影響復(fù)合物的功能，基于這一問題，劉濤團(tuán)隊(duì)采用基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)在Cas12a核酸酶上定點(diǎn)引入了含有疊氮基團(tuán)的非天然氨基酸，進(jìn)而與5’端修飾DBCO的crRNA共價(jià)偶連。試驗(yàn)表明，該共價(jià)偶聯(lián)策略，在不同類型細(xì)胞中都顯著的提高了Cas12a系統(tǒng)的基因編輯效率，且不會(huì)產(chǎn)生額外的脫靶效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，作者將該技術(shù)應(yīng)用于CAR-T細(xì)胞的高效制備從而顯著提高Cas12a系統(tǒng)的基因編輯效率，并將其應(yīng)用于定點(diǎn)整合CAR-T細(xì)胞及通用型CAR-T細(xì)胞的制備（如圖），有望推動(dòng)新一代更安全可控的免疫細(xì)胞制備。該研究為Cas12a系統(tǒng)的廣泛使用奠定了基礎(chǔ)，并為其他低效的Cas核酸酶改造提供了思路與方法。
定點(diǎn)修飾Cas12a偶連crRNA提高Cas12a系統(tǒng)基因組編輯效率
北京大學(xué)藥學(xué)院劉濤研究員為該工作的通訊作者，劉濤團(tuán)隊(duì)19級博士研究生凌鑫宇及20級博士研究生常麗穎為該論文的共同第一作者，北京大學(xué)天然藥物及仿生藥物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一責(zé)任通訊單位。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金（91853111, 21778005和21922701）、北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（JQ20034）、國家重大新藥創(chuàng)制專項(xiàng)(2019ZX09739001)、深圳市合成生物學(xué)研究所科研計(jì)劃(DWKF20190004)、臨床醫(yī)學(xué)+ X青年學(xué)者計(jì)劃(PKU2020LCXQ029)、北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部優(yōu)秀博士研究生創(chuàng)新基金(71006Y2460)的資助。
左起：常麗穎（20級博士研究生），劉濤（研究員），凌鑫宇（19級博士研究生）
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276521007735
【作者簡介】
劉濤，北京大學(xué)藥學(xué)院特聘研究員，博士生導(dǎo)師，分子與細(xì)胞藥理學(xué)系主任，天然藥物及仿生藥物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立PI。中組部海外高層次青年人才，國家優(yōu)青，北京市杰青獲得者。在Nat Chem Biol, Science Advances, J Am Chem Soc, Angewandte Chemie, Cell Chem Biol等國際頂級期刊發(fā)表科研論文30余篇。團(tuán)隊(duì)研究方向包括生物技術(shù)在生物藥物研發(fā)以及疾病機(jī)理解析中的應(yīng)用。發(fā)展了含有人造氨基酸的蛋白創(chuàng)新藥物，應(yīng)用在腫瘤及基因治療等多種領(lǐng)域，從而促進(jìn)了生物藥物的升級換代。
天然藥物及仿生藥物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 供稿
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