CRISPR-Cas系统是原核生物中的适应性免疫系统, 为开发真核生物基因编辑工具提供了丰富的资源。近年来, 随着越来越多新型Cas系统的发现, 基因编辑工具箱不断得到拓展。然而, 这些新型系统在动植物细胞中的天然编辑活性通常较低, 从而限制了其在实际应用中的潜力。
CRISPR-Casδ系统是赖锦盛教授团队最新开发出的新型基因编辑剪刀, 处于TnpB向典型的Cas12蛋白进化的中间状态。Casδ的氨基酸长度 (867–936个氨基酸) 显著小于Cas9和Cas12a, 仅需成熟的crRNA即可实现DNA靶向, 且其活性具有较宽的温度适应范围 (10℃–65℃)。另外, Casδ特异性识别5′-RYR-3′ PAM (R = A或G, Y = T或C), 与Cas9的5′-NGG-3′ PAM以及典型V型Cas12核酸酶中常见的富含T的PAM基序存在显著差别。但是, CRISPR-Casδ系统在基因组上的编辑效率还有很大的优化空间。
近日, 中国农业大学的赖锦盛教授团队在JIPB发表题为“Synergistic engineering of Casδ nuclease for robust genome editing”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70222)。该研究通过对Casδ-1蛋白进行理性设计优化, 获得编辑效率显著提升的变体enCasδ, 编辑效率与Cas9等国际主流核酸酶接近。
为解决提高Casδ基因编辑活性的问题, 赖锦盛教授团队结合蛋白质结构预测, 对Casδ-1进行了系统的理性设计优化。通过增强Casδ-1与PAM双链、crRNA、RNA-DNA异源双链和单链DNA底物的相互作用, 进而促进Casδ-1对于靶标DNA的识别与切割。研究团队在获得每个功能区域的最优变体基础上, 通过进一步整合优化, 最终成功获得了一个包含9个氨基酸替换的高活性变体, 并将其命名为enCasδ (图1)。编辑活性分析表明, 在HEK293T细胞中, enCasδ在检测的10个靶点上的编辑活性较野生型Casδ-1提高1.3–29.3倍, 平均编辑效率达54.6%; 在玉米原生质体中, enCasδ的编辑效率较Casδ-1平均提升5.3倍, 平均编辑效率为11.2%; 在玉米稳定转基因株系中, enCasδ对TS4和PSY1位点的编辑效率平均高达80%。通过比较, 结果表明enCasδ编辑效率与SpCas9及其他Cas12核酸酶接近。另外在人类细胞和玉米原生质体中, 基于随机选择的靶点分析, 都没有检测到脱靶 (图2)。该研究获得了一种编辑活性显著提高的Casδ-1优化变体enCasδ, 在动植物基因组编辑中展现出良好的应用潜力, 为生物育种、基因治疗等提供了新的工具支撑。中国农业大学玉米生物育种全国重点实验室陈建副教授、赖锦盛教授、杨志佳副研究员和卞超青年研究员为该论文的共同通讯作者, 博士后葛芳慧、博士生彭晨晨、硕士生杜洋和博士生陈迎为共同第一作者。赵海铭教授、吴森教授、辛蓓蓓副教授、刘胜男副教授等对该工作给予了重要指导和帮助。该研究得到了农业科技重大专项、国家自然科学基金、北京乡村振兴农业科技项目、国家重点研发计划以及中国博士后科学基金等项目的资助。Ge, F., Peng, C., Du, Y., Chen, Y., Zhao, Z., Yu, M., Feng, H., Xie, Y., Sun, S., Liu, S., et al. (2026). Synergistic engineering of Casδ nuclease for robust genome editing. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.70222JIPB面向全球读者, 刊载整合植物生物学领域的重要创新成果, 包括宏观与微观层面的原创研究论文、综述、简讯、新资源、新技术以及评论性文章等。2025年期刊指标显示: 2年SCI_IF: 9.3, 5年SCI_IF: 10.8, 位列植物科学TOP 3.1% (Q1 区); Scopus CiteScore 19.1, 位居植物科学TOP 2%。JIPB属于中科院期刊分区生物学大类1区、植物学小类1区, 入选中国科协《植物科学领域高质量期刊分级目录》T1级期刊, 获得由科技部等七部门联合实施的“中国科技期刊卓越行动计划” 连续两期项目资助 (2019–2028)。
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