ProCas9可以感知蛋白酶的存在。ProCas9（左，灰色）是不活跃的，直到蛋白酶将其中一小段蛋白质（红色的环）剪切后，它才会变得活跃（右，红色）并与DNA结合。
CRISPR-Cas9作为一种革命性的基因编辑工具，其功能非常强大：虽然其本来是细菌用来破坏病毒的，但它也能在人类细胞中很好地发挥各种遗传功能，包括剪切和粘贴DNA、精确地进行突变以及激活或抑制基因表达。
近日，美国加州大学伯克利分校的研究人员给CRISPR-Cas9添加了一个“开启”开关，允许用户在除目标细胞外的所有细胞中关闭Cas9基因编辑器，使其变得更加通用。研究结果于1月10日在线发表在《细胞》杂志的网络版上。
重新设计的Cas9酶——研究人员称之为ProCas9——功能完全正常。不过它含有一段蛋白质，在Cas9酶结合和切割DNA之前需要将其剪切掉。如果在ProCas9中插入一段只能被特定酶切割的短蛋白质，比如癌细胞或传染性病毒或细菌专用的酶，这种酶就会成为启动Cas9的触发器。ProCas9就是根据蛋白酶来“感知”细胞类型的。
加州大学伯克利分校分子和细胞生物学副教授David Savage说，“这是我们为Cas9酶在分子层面添加的一种额外安全层，来确保其切割的准确性。这种方法赋予了Cas9蛋白的可编程输入。”
Savage说：“有很多蛋白酶可以调节细胞内的信号通路，将正常细胞转化为癌细胞，并参与病原体的感染。如果我们能感知这些信号，我们就能利用这些重要的途径并做出响应。”
在这项研究中，Savage和他的同事通过使Cas9对植物病毒和人类病毒（如西尼罗河病毒）都敏感来证明蛋白酶对Cas9的成功控制。在未来，他们相信这种技术可以用于将CRISPR-Cas9细菌免疫系统导入植物中，帮助它们抵御具有破坏性的病毒病原体。
Savage最初的研究目标是将Cas9蛋白质削减为最简单的版本，以获得尽可能强大的基因编辑器：它越简单，就越容易工作和进入细胞。他说：“我们知道Cas蛋白很复杂，它有各种各样的调节蛋白，这对它在细菌免疫系统中的功能至关重要。我们工作的主要目标是驯服它们，将其用于人类，并去除与基因组编辑无关的东西。”特别是，他想重新设计Cas9，使其更容易附着在其他蛋白质上。这将使Cas9携带具有多种功能的蛋白质到DNA的正确位置上。这些蛋白叫做融合蛋白，其变体有希望改变基因表达，或者在“碱基编辑”的技术中，精确地改变DNA中的一个碱基或核苷酸。
研究人员用来重组Cas9的技术，称为循环排列，之前从未在Cas9这样复杂的蛋白质上进行过试验。循环排列包括取出Cas9蛋白的氨基酸序列并将其切割，转换两个片段的顺序，然后将其折叠成一个新的3D构型。
研究人员对Cas9蛋白进行了所有方式的切开以及循环排列，发现约有10%的新蛋白质仍然起作用，就好像研究人员只是以一种不同的方式重新排列了蛋白质的亚基，却不影响蛋白质的功能。这可能是因为Cas9蛋白复合物具有高度的灵活性，当它抓住引导RNA、与DNA结合并移动到切割DNA链的位置时，它会四处移动。
Savage目前正在探索一些Cas9重排方式，以便为融合蛋白提供更好的支架，使它们更接近其靶向的DNA链。在重新排列Cas9支架的过程中，他意外地发现，重新连接两个蛋白片段的方式会对结果产生影响。他说：“当我们切割蛋白质并将旧的片段移到新位置时，系统对如何将这两个片段连接在一起变得非常敏感。我们意识到，我们可以利用这种敏感性来设计蛋白质，使其具有蛋白酶识别位点。”这项研究表明，“在基因编辑蛋白质方面，我们并没有固守自然赋予我们的东西，这些蛋白质可以被精心优化，并转化成自然界中没有的支架，使其具有在人体细胞中发挥作用的合适特性。” Savage说道。
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编译：花花
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责编：张梦
期刊来源：《细胞》
期刊编号：0092-8674
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/uoc--gca010919.php
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