远红光可调控基因编辑

7月11日，《科学进展》在线发表了华东师范大学生命科学学院、医学合成生物学研究中心研究员叶海峰团队最新研究成果，该团队成功研发出了远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统（以下简称FAST系统）。该系统以较低强度的远红光外部照射作为控制手段，借助于远红光本身的组织通透性优势，克服了目前化学小分子调控以及蓝光调控CRISPR-Cas9系统的缺点，具有远程无痕、低本底泄露、低脱靶效应、低毒性等体内应用优势，能够在时间和空间上特异性精准控制体内深层组织和器官的基因编辑。

CRISPR-Cas9基因编辑技术作为新兴的第三代基因编辑技术，因其诸多优点而倍受关注。然而，由于Cas9表达的不可控性导致的脱靶效应以及无法实现时空特异性的精准编辑等缺点仍存在，给临床治疗带来了很多不确定性。因此，亟须开发一种可时空特异性精准控制的CRISPR-Cas9系统。

“也就是给传统的CRISPR-Cas9系统加上可时空特异性控制的光控‘开关’，只有‘开关’打开时，系统才能工作。”叶海峰向《中国科学报》解释，这样做的目的在于使Cas9核酸酶持续高表达，只有需要时，它才会产生，从而极大地降低脱靶效应；同时，可以利用光本身的优势实现时空特异性的精准控制。

研究团队利用合成生物学的设计原理，将红细菌中响应远红光的蛋白BphS，链球菌中的转录因子BldD以及酿脓链球菌中的Cas9核酸酶经理性设计、组装和重编程，构成了远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统。其中，Cas9核酸酶被分为N端（第1-713个氨基酸）和C端（第714-1368个氨基酸）两部分，分别融合了来自热纤维梭菌的一对能够自发相互结合的蛋白Coh2和DocS。

首先，研究人员在细胞水平测试了FAST系统的基因编辑功能。实验结果显示，FAST系统在LED发射的低强度远红光照射下可以诱导细胞内单个或多个内源基因的编辑，包括非同源末端连接（NHEJ）和同源定向修复（HDR），且黑暗情况下几乎无本底泄露。FAST系统在多种细胞中均显示出可调控的基因编辑效果，并具有很好的光照强度和时间依赖性，以及高度的时空特异性，为研究FAST系统在动物体内的可调控基因编辑能力奠定了基础。

随后，研究人员将FAST系统通过流体动力学尾静脉注射方式递送至tdTomato转基因报告小鼠的肝脏中，通过观察小鼠肝脏部位tdTomato的表达情况可以得知肝脏细胞中DNA被编辑的情况。肝脏器官成像和组织冰冻切片结果显示，与黑暗组相比，光照组小鼠肝脏中的tdTomato基因有显著的表达。

最后，研究人员在异种移植肿瘤（A549）模型小鼠中验证了FAST系统的疾病治疗应用潜力。将FAST系统递送至小鼠体内的肿瘤中，通过LED远红光的照射使得FAST系统切割肿瘤致癌基因PLK1即可显著抑制肿瘤的生长。

“上述体内研究结果均证明，FAST系统中使用的LED来源的低强度的远红光照射具有良好的组织穿透力和体内应用效果。”叶海峰说。

相关论文信息：http://doi.org/10.1126/sciadv.abb1777