利用日本的基因组编辑工具开辟新道路！

利用日本的基因组编辑工具开辟新道路！

2024/05/01

利用日本的基因组编辑工具开辟新道路！ 风投、大公司、科研院所共同开发新技术

基因组编辑是通过针对生物体基因组的特定部分来修改 DNA 序列的技术4005_4163凸版有限公司（以下简称凸版) 和Inplanta Innovations Co, Ltd（以下简称Inplanta）开发了新的基因组编辑工具“AalCas9”我做到了(2023/11/30 新闻稿）。Inplanta，一家在植物细胞操作和培养方面拥有先进技术的风险投资公司虽然印刷业务是该业务的起源我们在信息处理领域也有优势，包括生物技术凸版、国立研究机构AIST、AIST共同开发的日本基因组编辑工具。该团队还在开发一种名为“晶须超声RNP法”的独特技术，用于将基因组编辑工具引入细胞中。新开发的基因组编辑技术与传统技术相比有哪些特点和优势？我们还从各个角度谈到了与三方共同推动研发的好处。

传统基因组编辑技术的问题

　基因组编辑是一种在目标位置切割 DNA 并使用修复切割 DNA 的机制重写基因的技术。基因组编辑有多种类型，目前应用最广泛的技术是CRISPR/Cas9，该技术获得了2020年诺贝尔化学奖。该系统的工作原理是将Cas9（充当切割DNA的剪刀）和引导RNA（将Cas9引导至目标位置）结合起来。通过改变向导RNA的类型，可以针对各个位点进行编辑，由于其简单性和编辑效率高，已迅速成为标准的基因组编辑技术。 （AIST 杂志“什么是基因组编辑？」）

然而，CRISPR/Cas9也不是万能的技术。挑战包括意外切割非预期位点的风险以及可靶向 DNA 区域的限制。此外，CRISPR/Cas9在海外已获得专利，日本企业如果将其用于商业目的，则需要支付昂贵的专利许可费。在此背景下，人们强烈希望开发出不侵犯现有技术专利的新基因组编辑工具。

三方作为一个团队开发一种新的基因组编辑工具

　Inplanta最初与AIST的植物功能控制研究小组合作开发植物基因控制技术。公司开展植物合同研究，拥有前沿的植物研究技术基础。

　“自 2013 年左右以来，基因组编辑一直在植物研究中引起关注，我们公司是最早推出现有基因组编辑工具的公司之一。 “由于许可问题，障碍很高。因此，我们希望开发一种独特的国产基因组编辑技术，并尽快将其投入实际应用，因此我们一直在与 AIST 联合进行研究。”该公司首席执行官 Teruhiko Terakawa 说道。

　在各种企业工作凸版对使用基因组编辑进行业务开发也有浓厚的兴趣。该公司深入涉足生物技术领域，利用其印刷技术制造生物技术实验中使用的微阵列（一种将数万至数百万个DNA片段高密度排列在玻璃等基材上并同时进行分析的工具）。它在特定IT领域也很强大，例如通过基因检测和信用卡制造和发行业务安全地管理包括遗传信息在内的大量个人信息，以及使用人工智能技术进行数据挖掘。该公司信息和通信业务部门负责人 Seiichiro Ito 表示：“基因组编辑技术的开发在全球范围内竞争非常激烈，因此获胜并不容易。但是，我们相信我们所培养的数据分析技术可能是我们在竞争中脱颖而出的优势之一，我们一直在与 Implanta 的 Terakawa 先生进行深入的讨论。”

与 AIST凸版凸版的数据分析技术，我们或许能够找到开发独特基因组编辑工具的制胜机会。就这样，寺川和AIST凸版之间的桥梁，三方能够进行联合研究。

可以靶向现有基因组编辑无法靶向的区域

作为联合研究的结果，Implanta，凸版，AIST联合团队创造了一种新的基因组编辑工具``AalCas9''。关于AalCas9的特性，AIST生物工艺研究部首席研究员Akiyoshi Nakamura表示，“Cas9不能在DNA的任何部分进行切割，而只能在称为PAM序列的特定碱基序列附近进行切割。即使我们想切割这部分，附近也不一定有PAM序列。”因此，可编辑的区域存在限制。新开发的AalCas9识别的PAM序列与目前广泛使用的Cas9不同，因此它有潜力针对以前无法编辑的区域。”

　DNA由四种碱基序列组成：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C），这构成了遗传信息。目前广泛使用的Cas9的SpyCas9的PAM序列是“5'-NGG-3'”（N可以是A、T、G或C中的任意碱基），但AalCas9的PAM序列是“5'-NNACG-3'”。 “与PAM序列中的碱基数量相比，AalCas9的碱基数量更多，因此它在基因组中的存在频率比5'-NGG-3低，可编辑的范围也稍窄。但从另一个角度来看，Cas9识别的大量碱基增加了特异性，降低了在非预期位置意外切割的风险，”中村谈到AalCas9的优势时说道。

从数十万候选微生物中选择独特的Cas9

　他们如何找到具有不同于现有基因组编辑工具的 PAM 序列的 Cas9？ CRISPR/Cas9最初是从微生物的免疫系统中发现的。目前广泛使用的 CRISPR/Cas9 能够治疗化脓性链球菌 (化脓链球菌) 的微生物的 Cas9 (SpyCas9)。由于PAM序列根据微生物的类型而不同，我们首先从微生物数据库中选择候选微生物。这个过程是凸版负责。该公司利用其积累的数据分析专业知识来搜索公共微生物数据库。凸版说：

　如果你在数据库中搜索可能带有Cas9基因的微生物，你会发现数十万种微生物。然而，这些微生物中有相当一部分属于现有技术专利的范围。我们认为，如果它们是生活在特殊环境（例如低温或高温的地方，而不是物体）的微生物，我们也许能够找到具有独特Cas9基因的微生物，并且不会违反现有技术专利，因此我们通过关注生活在深海、温泉和陨石坑中的微生物来缩小候选范围。”

　这样，我们就挑出了40到50种微生物。由于数据库只包含核苷酸序列数据，即遗传信息，因此很难知道所选微生物的Cas9识别什么PAM序列，或者它是否实际上在细胞内表现出高活性，直到通过实验进行研究。下一步是研究 Cas9 在被选为候选微生物中的功能。这一过程是由AIST Nakamura 和同一组的高级研究员Shigeo Kanno 进行的。 Nakamura 专门从事 RNA 和蛋白质的生产和纯化，而 Kanno 自 2013 年以来一直在研究基因组编辑，当时 CRISPR/Cas9 被报道为基因组编辑工具。利用各自的优势，Nakamura 生产并纯化了候选微生物的 Cas9 蛋白和指导 RNA 的复合物，Kanno 将其引入植物和动物细胞中以检查 PAM 序列和活性。

　我们创建了一个实验系统，以一一确认每种微生物的PAM序列Cas9对40至50种候选微生物的识别情况。使用该实验系统进行评估的结果是，我们发现生活在深海沉积物中的微生物白色深渊藻中的 Cas9 可能是一种强大的基因组编辑工具，”Nakamura 在解释他的稳定研究结果时说道。

　下一步，需要验证鉴定出的AalCas9在实际用于基因组编辑时是否具有足够的实用性能。 Implanta 的 Terakawa 负责验证。 Inplanta 使用现有的基因组编辑工具来创建、分析和评估基因组编辑的植物。寺川等人。证明可以通过在拟南芥和水稻中使用 AalCas9 进行基因组编辑来获得基因组编辑菌株。

　Terakawa说：“可以说，AalCas9是数十万候选者中的冠军。我们目前正在详细研究AalCas9作为基因组编辑工具的效率和可用性，我们发现它可以与现有基因组编辑工具以相同的效率使用。然而，基因组编辑的效率因植物类型而异，因此我们也在研究哪些植物适合基因组编辑。”

将基因组编辑工具引入细胞的独特技术

　为了真正进行基因组编辑，需要将Cas9引入并引导RNA进入植物或动物细胞。这时候重要的一点就是如何让它们进入细胞。

　

9869_10013凸版参与开发并开发了这项技术，可以将基因组编辑工具Cas9和向导RNA的复合物导入到细胞中，并将这种技术命名为“晶须超声波RNP法”（RNP是Cas9和向导RNA的复合物的意思）。

　Terakawa 热情地说：“通过将新型基因组编辑工具 AalCas9 与将其引入细胞的晶须超声 RNP 方法相结合，我们的目标是将其商业化，成为日本独特的基因组编辑技术。”

迈向国产基因组编辑工具的商业化

　三方已获得新开发的基因组编辑工具AalCas9的专利，商业化即将到来。菅野从博士后时期就开始研究基因组编辑，他参与了 AIST 的这项联合研究，并表示：“我能够在一个非常有组织的环境中进行我的研究。”

``这个项目的目标从一开始就设定为商业化，我们拥有强大的合作研究结构。凸版的数据分析加速我们的研究，并且借助Inplanta的基因组编辑相关技术，我们能够证明该技术实际上可以使用，”他谈到三方联合研究的优点时说道。

　寺川表现出对商业化的热情。

　我们公司是日本最早使用现有基因组编辑工具推出服务的公司之一。许多公司对基因组编辑感兴趣，但障碍是高昂的许可费用。自从 AalCas9 新闻稿发布以来，我们收到了越来越多的询问，因此我们希望在情况合适时立即切换到 AalCas9。''

另外，为了让AalCas9能够被大众广泛使用，伊藤说了以下内容。

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　AalCas9不仅可以在植物中编辑基因组，而且可以在培养的人类细胞中编辑基因组，其效率与现有基因组编辑工具相同，因此有望在医学领域得到应用。此外，AalCas9的特点之一是与现有Cas9相比，其分子尺寸更小。

　“将基因组编辑工具传递到靶细胞的药物传递等方法正在被视为新的治疗方法。在这种情况下，较小的分子是优选的，因此 AalCas9 可能有用。这样，新开发的AalCas9可能会让以前基因组编辑工具不可能实现的技术成为现实。”伊藤谈到他对这项技术的期望时说道。

　用途广泛、使用方便的基因组编辑工具受到农业、医药、工业等各个行业的热切期待。 AalCas9 开发团队正在尝试通过结合三个公司各自的优势来创建一个包含业务的一体化软件包，而不仅仅是创建技术。 AalCas9的实际应用可能会推动现有工具无法实现的广泛领域新技术的开发。

　首先，我们希望那些对基因组编辑感兴趣，但由于专利费高昂而犹豫是否使用它的公司使用它。他们通过新的基因组编辑开辟工业未来的挑战仍在继续。