基础研究新突破 中国农业科学院加工所铸造出“基因剪刀”

　　近期，加工所申请的一项发明专利“CRISPR/LpCas9基因编辑系统及其应用（ZL202010531552.0）”获得授权。这是研究所自主知识产权的一把“基因剪刀”，该“基因剪刀”来源于副干酪乳杆菌基因组的编码蛋白，研发团队同时开发了基于该蛋白的基因编辑系统，可实现对生物基因组的快速、精准编辑，具有广阔的科研应用与商业价值。

 

　　“基因剪刀”是指能够在特定位点精准切割核酸分子的一类核酸内切酶，能够对基因产生类似剪刀切割的效果，被形象称为“基因剪刀”。基因编辑领域的专利技术在近10年呈高速增长态势，美国在该领域全球领跑，专利量居于全球第一。目前在基因编辑领域应用最为广泛的“基因剪刀”是来源于酿脓链球菌（Streptococcus pyogenes）的SpyCas9蛋白，其专利权为美国博德研究所与加州大学共同持有。

 

　　SpyCas9蛋白已被成功用于哺乳动物细胞、植物、酵母等多个物种的基因编辑，但研究发现该蛋白应用于部分乳酸菌会对宿主细胞产生毒性，导致宿主细胞生长缓慢甚至凋亡。为了开发一种乳酸菌普适性更强的基因编辑工具，克服SpyCas9蛋白的缺陷，加工所乳品加工团队开展了对新“基因剪刀”的挖掘、筛选和“打磨”，最终在一株副干酪乳杆菌基因组上找到一个具有切割双链DNA能力的LpCas9蛋白，并解析了该蛋白所识别的有效PAM序列，成功打开了该蛋白剪辑基因的“密码锁”。相比SpyCas9蛋白，LpCas9存在两个明显优势和一个不足。第一个优势是具有极低的剪辑“脱靶率”，而“脱靶”可能会导致基因突变，引起疾病或缺陷发生；第二个优势就是该蛋白源于乳酸菌，在乳酸菌中普适性更强。不足之处是编辑效率略低于SpyCas9，研究团队利用人胚胎肾细胞HEK293T评估了二者的优劣，结果表明LpCas9编辑效率为55.8%，低于同条件下SpyCas9的78.5%。

 

　　基于此，加工所乳品加工团队未来将重点开展以下三方面工作。一是优化改造现有的LpCas9蛋白，重点“打磨”提高其基因编辑效率，开发适应不同应用场景需要的专用“基因剪刀”。二是依托现有的乳酸菌优势资源，继续挖掘和“铸造”新型的“基因剪刀”，丰富现有的基因编辑“工具箱”，满足未来多种基因编辑的应用需求。三是围绕减少“基因剪刀”蛋白过度表达带来的负面效应，开展基因编辑精准控制相关研究。

 

　　基因编辑技术在作物育种、人类疾病治疗和微生物遗传改良等方面已经展示出巨大的应用潜力，相关专利蕴含的商业价值愈发被重视，专利的布局和竞争也日益白热化。CRISPR/Cas9系统是目前全球最先进的基因编辑方案，致力于开发其商业应用的生物技术公司在使用相关发明专利之前，首先需要获得知识产权持有者的许可。虽然科学家可以将这些技术用于基础研究目的，无需支付专利费，但如果想要转让基于该技术研发的相关成果，则需要获得相关许可。近年来，我国在基因编辑领域获得了飞速发展，授权专利数量紧随美国排名全球第二，但是核心“基因剪刀”相关专利仍然比较匮乏。本专利是目前我国为数不多具有完全自主知识产权的“基因剪刀”之一，其成功获得授权可为乳酸菌及相关微生物合成生物学基础研究提供一个可行方案。

 

　　该研究获得国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程等项目的资助。部分研究结果发表在《微生物学前沿（Frontiers in Microbiology）》上。