Small：利用近紅外光觸發Cre重組酶介導的基因組編輯

　　在細胞中進行基因組編輯的一個主要障礙是細胞本身。美國加州大學圣塔芭芭拉分校化學與生物化學系教授Norbert Reich解釋道，“人細胞不喜歡攝入東西。”人細胞已形成一種“垃圾處理”機制來分離和降解外來的蛋白、其他的不想要的生物分子和病原體，甚至是受損的細胞結構。因此，對生物技術、生物制藥和基因組研究和治療等領域的人---比如那些利用CRISPR-Cas9基因編輯技術開展研究的人---來說，結果的好壞取決于他們能否高效地繞過這種防御機制和準確地將蛋白導入到動物細胞中。

　　在一項新的研究中，Reich和他的團隊開發出這樣的一種方法。據估計，他們的方法在效率上要比現有方法高出100到1000倍，這就為用戶運送基因組編輯蛋白提供了完整的時空控制，從而實際上允許他們確切地決定何時何地釋放這種蛋白。相關研究結果近期發表在Small期刊上，論文標題為“Light‐Triggered Genome Editing: Cre Recombinase Mediated Gene Editing with Near‐Infrared Light”。

圖片來自Small, doi:10.1002/smll.201800543。

　　Reich說，“我們實際上能夠靶向單個細胞。我們甚至能夠靶向一個細胞的一部分，這樣我們就能夠將這種蛋白釋放到這個細胞的一部分中。不過重點是我們控制這種將要切割DNA的蛋白何時何地釋放。”

　　最近在生物技術領域取得的一項突破性進展是利用基因編輯蛋白---諸如CRISP/Cas之類的“分子剪刀”和這項研究中的Cre重組酶---發現、剪切和粘貼靶DNA序列中的特定部分。起初是細菌和古生菌用于識別來自入侵病毒的DNA并對它進行標記以便隨后遭受破壞的一種防御機制，從那之后科學家們已利用多種蛋白開發出識別、切割和結合不同長度的堿基序列的方法。這項研究中開發出的這項技術具有巨大的潛力，可應用于確定基因功能的基礎研究和能夠修復細胞水平缺陷的療法。

　　Reich團隊開發出的這種光觸發的基因組編輯的關鍵是空心的金納米球，在這些金納米球上包被著DNA報告鏈（發出紅色熒光）和由Cre重組酶與細胞穿透肽組成的融合蛋白。它是由近紅外光觸發的。

　　Reich說，“因此如今我們有一種歸巢設備和一種運送劑”，并解釋道Cre重組酶與細胞穿透肽的融合物起著一種靶向系統的作用：當靶細胞進行垃圾處理時，它就發揮作用。

　　一旦被攝入到細胞中，這些金納米球被包埋在內體（endosome）---一種膜狀口袋---中。Reich說，“但是這些金納米球沒有做任何事情，這是因為它們被包埋著”。超快脈沖近紅外激光 ---對細胞無害且高效地穿過組織---隨后照射這些被包埋的金納米球和它們的蛋白涂層。

　　Reich說，“近紅外波長照射引起了一件非常有趣的事情發生。它導致這些金納米球受到激發，從而導致我們所附著的任何東西脫落下來。”與此同時，納米氣泡形成，從而導致內體出現開口并允許它的蛋白內含物逃出。這些蛋白如今自由地前往存儲著遺傳物質的細胞核中，并讓細胞穿透肽進入。Cre能夠尋找、剪切細胞中的雙螺旋DNA，并且將DNA報告鏈粘貼到雙螺旋DNA中。

　　這些研究人員的體外實驗取得成功：經過一段時間的孵育后，細胞被蛋白包被的金納米球穿過，隨后經照射后，發出紅光。

　　論文第一作者、如今是洛斯阿拉莫斯國家實驗室博士后研究員的Demosthenes P. Morales說，“作為一種基礎研究工具，通過時空控制，每個細胞都能夠用于實驗。想象一下，你想要研究某個基因的功能以及它如何改變這個細胞的行為或這個細胞與其相鄰細胞的行為。利用等離子體納米顆粒，我們能夠打開或關閉感興趣的基因，并實時觀察它的活性變化所帶來的影響。”

　　Morales說：“在某些情況下，如體細胞突變，不是身體中的每個細胞都需要編輯。控制在何時和何處使用基因編輯蛋白的能力讓它短暫地發揮作用。這一點的重要性在于，當前的基因編輯方法通常會導致基因編輯蛋白以活性狀態一直停留在靶細胞中，這會帶來未知的長期后果。我們的方法以短暫的方式提供基因編輯蛋白，從而避免了這個問題。”