CRISPR-Cas技术在科学研究和医疗保健中被广泛应用，用于编辑、插入、删除或管理生物体内的基因。TnpB作为著名的“基因剪刀”的前体，是一种体积更小的蛋白质，使其更容易传递到细胞内。研究人员利用蛋白质工程和人工智能算法来提高TnpB的功能，增强其有效编辑DNA的能力。这一发展有望在未来解决与高胆固醇相关的遗传疾病。
CRISPR-Cas技术在研究和医学中广泛应用于编辑、插入、删除或控制生物体内的遗传物质。TnpB作为著名的“基因剪刀”的前驱，体积较小，使其更容易被细胞运输。来自苏黎世大学（UZH）的研究人员通过蛋白质工程和人工智能的最新进展，显著提高了TnpB在DNA编辑中的效率，未来可能提供解决遗传性高胆固醇问题的方案。
CRISPR-Cas系统由蛋白质和RNA元素组成，最初作为细菌对抗侵入病毒的自然防御机制。过去十年中，这些“基因剪刀”的重新设计改变了科学和医学领域的基因工程实践。这些工具可以被编程以准确定位特定DNA区域并编辑遗传信息，从而修正DNA中的有害突变，使其恢复到健康状态。
更紧凑的基因编辑工具
最近的研究结果表明，Cas蛋白源于更小的蛋白质，TnpB是Cas12的直接祖先。Cas蛋白的庞大体积在将其传递到体内正确细胞时带来了挑战，因此最近的研究探讨了使用它们的较小进化亲戚进行基因组编辑。然而，较小的替代品通常效率较低。这个挑战现在已由苏黎世大学药理学和毒理学研究所的Gerald Schwank领导的研究团队成功解决，研究团队与苏黎世联邦理工学院的专家合作。Schwank表示：“通过工程设计这种体积小但功能强大的TnpB蛋白，我们开发出的变体在DNA修饰效率上提高了4.4倍，增强了其作为基因编辑工具的有效性。”
TnpB蛋白存在于多种细菌和古菌物种中，研究中的TnpB来源于耐辐射细菌Deinococcus radiodurans。这种生物能够承受极端的环境条件，如寒冷、干燥、真空和酸性环境，使其成为已知的最耐辐射生命形式之一。此前的研究表明，紧凑型的TnpB蛋白可以用于在人类细胞中进行基因组编辑，但由于对DNA识别的严格要求，其初始有效性和靶向能力有限。
改进的结合能力和扩展的DNA靶序列
为了优化TnpB在哺乳动物细胞中的DNA编辑能力，研究人员对其功能进行了增强，相较于标准变体。“关键在于从两个方面修改蛋白质：首先，提高其到达基因组DNA所在细胞核的效率；其次，使其能够靶向更广泛的基因组序列，”Schwank实验室的博士生Kim Marquart解释道。
为了确定影响基因组编辑效率的DNA序列特征，研究人员对TnpB在10,211个不同目标位点进行了评估。与UZH的Michael Krauthammer团队合作，他们设计了一种新型人工智能模型，能够预测TnpB在不同目标位置的编辑有效性。“我们的模型可以预测TnpB在不同条件下的表现，从而便于设计成功的基因编辑实验。凭借这些预测，我们在小鼠肝脏中达到了高达75.3%的效率，在小鼠大脑中为65.9%。”Marquart补充道。
用于胆固醇遗传缺陷的基因编辑治疗
“我们能够有效地利用能够传递工具的腺病毒相关病毒载体将工具送入小鼠细胞。在动物实验中，得益于其紧凑的大小，TnpB基因编辑系统可以容纳在一个病毒颗粒内。”Marquart表示。相对而言，CRISPR-Cas9组件需要多个病毒颗粒，导致需要更高剂量的载体。
在他们的持续研究中，团队调查了TnpB工具在治疗家族性高胆固醇血症中的应用，这是一种导致胆固醇水平持续升高的遗传疾病，影响全球约3100万人。这种病症增加了早期动脉粥样硬化性心血管疾病的风险。“我们成功编辑了一种参与胆固醇调节的基因，导致接受治疗的小鼠胆固醇水平减少近80%。我们的目标是将类似的基因编辑技术转化为人类患者治疗高胆固醇血症。”Schwank总结道。
