【文献解读】张锋团队开发新型基因编辑器NovaIscB,实现持久高效基因组编辑

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2025年5月,《Nature Biotechnology》在线发表了题为" Evolution-guided protein design of IscB for persistent epigenome editing in vivo "的研究论文。该研究由华人科研家张锋团队主导,研究顺利获得整合进化引导的蛋白质工程策略,开发出新型紧凑型基因编辑器NovaIscB,并成功构建单AAV递送的持久表观遗传编辑系统OMEGAoff,为慢性病基因治疗提供了突破性工具

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原文链接:DOI: 10.1038/s41587-025-02655-3

文章亮点

1. 百倍效率的提升:

顺利获得同源基因筛选取得高活性IscB变体OrufIscB,经REC结构域工程改造后,NovaIscB的编辑效率较野生型提升100倍,最高可达40% indel效率。

2. 精准靶向突破:

有效引导RNA长度从13bp扩展至20bp,并且脱靶率显著低于现有紧凑编辑器。

3. 单载体体内递送:

融合甲基转移酶构建出OMEGAoff系统,NovaIscB与截短ωRNA可封装至单AAV载体,突破大尺寸编辑器难递送的瓶颈。

4. 持久的基因沉默:

小鼠体内单次注射OMEGAoff,靶基因表达抑制持续≥6个月,血清胆固醇水平显著降低且无肝毒性。

传统CRISPR-Cas编辑器具有尺寸过大,难以兼容AAV载体递送,且难以平衡高效编辑与低脱靶性的缺点。IscB作为Cas9的祖先蛋白虽具紧凑优势,但存在编辑效率低、引导RNA短等缺陷。因此研究人员顺利获得自然进化多样性挖掘与蛋白质工程优化的方式,旨在开发高效精准的微型编辑器。

01
进化引导的蛋白质设计

1. 同源基因的筛选

研究人员顺利获得测试144个IscB及6个II-D型Cas9同源物,鉴定出高效变体OrufIscB,其编辑效率为8%,较前代提升10倍。

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图1.筛选天IscB变体

2. REC结构域嵌合

 研究人员将Cas9的REC识别域插入OrufIscB的保守位点,并从183个嵌合体中优选出Nba-1 REC变体,其有效引导长度增加至15bp。

3. 关键环区优化

顺利获得54种REC环交换组合,最终取得NovaIscB,其有效引导长度20bp,特异性较野生型提升200倍。

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图2.OrufIscB的重新设计以实现高效编辑



02
ωRNA工程改造

研究人员顺利获得删除ωRNA5'端42nt 与 3'端17nt的非必需茎环结构,使ωRNA总长从225nt降至166nt。结果显示:截短版的ωRNA在人细胞中的表达量提升了4倍。

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图3: ωRNA支架的结构导向工程



03
OrufIscB可作为多功能基因组调控工具

研究人员顺利获得融合失活型OrufIscB-KRK(RuvC/HNH结构域失活)与DNA甲基转移酶(Dnmt3A-3L)和转录抑制域(KRAB),构建出了紧凑型表观编辑器OMEGAoff。在HEK293FT和AML12细胞中OMEGAoff实现了与CRISPRoff相当的转录抑制效果,顺利获得优化融合架构,靶基因表达被抑制至对照组的20%-30%。

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图4:OMEGAoff与CRISPRoff相当的转录抑制效果


同时研究人员每只动物2×1011个总病毒颗粒的剂量向小鼠静脉内注射编码OMEGAoff的AAVs和Pcsk 9/Rosa 26靶向指导物,并在不同时期收集小鼠血液样品以分离血清用于测量PCSK 9蛋白和胆固醇水平。结果显示注射3周后,靶向组血清PCSK9下降70%,胆固醇降低40%,且效果可持续6个月。在安全性方面未检测到小鼠肝损伤标志物(胆红素/ALT)升高。

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图5.AAV递送OMEGAoff进行体内Pcsk 9抑制的实验及结果分析



总结与展望

研究顺利获得进化引导蛋白质的工程策略,成功开发出紧凑型RNA引导核酸酶NovalscB。其融合表观编辑器OMEGAoff在单AAV载体递送下实现了持久性基因调控,且靶基因表达抑制持续≥6个月,血清胆固醇水平显著降低且无肝毒性,证明了其在慢性疾病治疗中的潜力,为慢性病基因治疗提供了突破性工具。




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