基礎(chǔ)研究新突破 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院加工所鑄造出“基因剪刀”

　　近期，加工所申請(qǐng)的一項(xiàng)發(fā)明專利“CRISPR/LpCas9基因編輯系統(tǒng)及其應(yīng)用（ZL202010531552.0）”獲得授權(quán)。這是研究所自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一把“基因剪刀”，該“基因剪刀”來源于副干酪乳桿菌基因組的編碼蛋白，研發(fā)團(tuán)隊(duì)同時(shí)開發(fā)了基于該蛋白的基因編輯系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物基因組的快速、精準(zhǔn)編輯，具有廣闊的科研應(yīng)用與商業(yè)價(jià)值。

 

　　“基因剪刀”是指能夠在特定位點(diǎn)精準(zhǔn)切割核酸分子的一類核酸內(nèi)切酶，能夠?qū)虍a(chǎn)生類似剪刀切割的效果，被形象稱為“基因剪刀”?；蚓庉嬵I(lǐng)域的專利技術(shù)在近10年呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，美國在該領(lǐng)域全球領(lǐng)跑，專利量居于全球第一。目前在基因編輯領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的“基因剪刀”是來源于釀膿鏈球菌（Streptococcus pyogenes）的SpyCas9蛋白，其專利權(quán)為美國博德研究所與加州大學(xué)共同持有。

 

　　SpyCas9蛋白已被成功用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞、植物、酵母等多個(gè)物種的基因編輯，但研究發(fā)現(xiàn)該蛋白應(yīng)用于部分乳酸菌會(huì)對(duì)宿主細(xì)胞產(chǎn)生毒性，導(dǎo)致宿主細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢甚至凋亡。為了開發(fā)一種乳酸菌普適性更強(qiáng)的基因編輯工具，克服SpyCas9蛋白的缺陷，加工所乳品加工團(tuán)隊(duì)開展了對(duì)新“基因剪刀”的挖掘、篩選和“打磨”，最終在一株副干酪乳桿菌基因組上找到一個(gè)具有切割雙鏈DNA能力的LpCas9蛋白，并解析了該蛋白所識(shí)別的有效PAM序列，成功打開了該蛋白剪輯基因的“密碼鎖”。相比SpyCas9蛋白，LpCas9存在兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)和一個(gè)不足。第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有極低的剪輯“脫靶率”，而“脫靶”可能會(huì)導(dǎo)致基因突變，引起疾病或缺陷發(fā)生；第二個(gè)優(yōu)勢(shì)就是該蛋白源于乳酸菌，在乳酸菌中普適性更強(qiáng)。不足之處是編輯效率略低于SpyCas9，研究團(tuán)隊(duì)利用人胚胎腎細(xì)胞HEK293T評(píng)估了二者的優(yōu)劣，結(jié)果表明LpCas9編輯效率為55.8%，低于同條件下SpyCas9的78.5%。

 

　　基于此，加工所乳品加工團(tuán)隊(duì)未來將重點(diǎn)開展以下三方面工作。一是優(yōu)化改造現(xiàn)有的LpCas9蛋白，重點(diǎn)“打磨”提高其基因編輯效率，開發(fā)適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景需要的專用“基因剪刀”。二是依托現(xiàn)有的乳酸菌優(yōu)勢(shì)資源，繼續(xù)挖掘和“鑄造”新型的“基因剪刀”，豐富現(xiàn)有的基因編輯“工具箱”，滿足未來多種基因編輯的應(yīng)用需求。三是圍繞減少“基因剪刀”蛋白過度表達(dá)帶來的負(fù)面效應(yīng)，開展基因編輯精準(zhǔn)控制相關(guān)研究。

 

　　基因編輯技術(shù)在作物育種、人類疾病治療和微生物遺傳改良等方面已經(jīng)展示出巨大的應(yīng)用潛力，相關(guān)專利蘊(yùn)含的商業(yè)價(jià)值愈發(fā)被重視，專利的布局和競(jìng)爭(zhēng)也日益白熱化。CRISPR/Cas9系統(tǒng)是目前全球最先進(jìn)的基因編輯方案，致力于開發(fā)其商業(yè)應(yīng)用的生物技術(shù)公司在使用相關(guān)發(fā)明專利之前，首先需要獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)持有者的許可。雖然科學(xué)家可以將這些技術(shù)用于基礎(chǔ)研究目的，無需支付專利費(fèi)，但如果想要轉(zhuǎn)讓基于該技術(shù)研發(fā)的相關(guān)成果，則需要獲得相關(guān)許可。近年來，我國在基因編輯領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展，授權(quán)專利數(shù)量緊隨美國排名全球第二，但是核心“基因剪刀”相關(guān)專利仍然比較匱乏。本專利是目前我國為數(shù)不多具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“基因剪刀”之一，其成功獲得授權(quán)可為乳酸菌及相關(guān)微生物合成生物學(xué)基礎(chǔ)研究提供一個(gè)可行方案。

 

　　該研究獲得國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。部分研究結(jié)果發(fā)表在《微生物學(xué)前沿（Frontiers in Microbiology）》上。