关于CasRx在动物体内靶向沉默RNA的应用成果
来源：发布时间：2020-03-18
2020年3月18日，《蛋白质与细胞》期刊在线发表了《Cas13d介导的肝脏基因表达下调对代谢功能的调控》的研究论文，该研究由中科院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室杨辉研究组和上海科技大学生命科学与技术学院黄鹏羽研究组合作完成。该研究探索了Cas13d家族蛋白CasRx敲低目的基因的最佳sgRNA组合，通过尾静脉注射质粒的方式，将CasRx系统和靶向Pten基因的sgRNA导入到小鼠肝脏细胞中，成功在小鼠肝脏中实现了Pten的高效沉默，证实了CasRx系统在成体动物体内也具有靶向沉默RNA的活性，通过增强下游蛋白AKT的磷酸化，影响了糖脂代谢相关基因的表达。同时，利用AAV递送CasRx和靶向Pscsk9的sgRNA到小鼠肝脏，有效降低了肝脏中PCSK9的蛋白表达，以及小鼠血液中的胆固醇水平。这为治疗后天性的代谢疾病提供了新方案。
同时，杨辉研究组与上海交通大学医学院附属上海第一人民医院孙晓东研究组合作，也探究了CasRx预防严重的眼部疾病——年龄相关性黄斑变性(AMD)的可能性，研究人员发现在体内使用CasRx敲低Vegfa的mRNA可以显著减少AMD小鼠模型中脉络膜新血管形成(CNV)的面积，验证了将RNA靶向的CRISPR系统用于治疗应用的潜力。相关研究论文《CasRx介导的RNA靶向策略可防止年龄相关的黄斑变性的小鼠模型中的脉络膜新生血管形成》3月3日在《国家科学评论》在线发表。
近年来，CRISPR/Cas9技术因其强大且便捷的DNA编辑能力而受到广泛关注。2016年，张锋实验室发现了一种新的Cas蛋白Cas13a，可以靶向RNA进行切割。之后人们又陆续发现了靶向RNA的Cas13b, Cas13c。由于Cas13家族蛋白靶向RNA的特点，理论上在一些特定疾病的检测和治疗上具有独特优势，因而成为近年来的研究热点。2018年，加州大学伯克利分校Patrick Hsu实验室发现了Cas13d家族。他们发现与RNA干扰技术相比，Cas13d介导的基因沉默具有更高的特异性(与数百个shRNA脱靶相比，Cas13d没有脱靶)和敲除效率(Cas13d达到96%，shRNA达到65%)。而与Cas9介导的基因敲除技术相比，Cas13d介导的基因沉默不会改变基因组DNA，因此这种基因沉默是可逆的，从而对一些后天性疾病(如因不良生活习惯导致的高血脂等后天代谢性疾病)的治疗更有优势。其中Cas13d家族的CasRx蛋白由于体积小，效率高，被认为是在未来应用中最具有优势的Cas13蛋白。
此前的工作都在细胞水平证明了CasRx的高效性和特异性，杨辉研究组的这两篇文章则更进一步在动物体内证明了CasRx的活性，为临床提供了可能性。为证明CasRx在动物体内的活性，研究人员分别针对目的基因进行了sgRNA的体外筛选，然后采用尾静脉注射敲低Pten的质粒、尾静脉注射敲低Pcsk9的AAV8病毒、眼部注射敲低Vegfa的AAV病毒。对注射后的小鼠进行相应分析，分别得到Pten基因下调及其下游蛋白AKT的磷酸化上调，Pcsk9下调造成血清胆固醇下调;Vegfa下调显著减少AMD小鼠模型中脉络膜新血管形成(CNV)的面积。
《蛋白质与细胞》的工作由中科院脑智卓越中心博士研究生贺冰冰、黄佳，上海科技大学博士研究生彭文博等科研人员，在上海科技大学生命科学与技术学院黄鹏羽研究员和中科院脑智卓越中心杨辉研究员共同指导完成。《国家科学评论》的工作由脑智卓越中心博士研究生周昌阳、胡新德、唐骋，上海第一人民医院刘文佳，脑智卓越中心杨辉组博士后王少冉等科研人员，在中科院脑智卓越中心杨辉研究员、中科院脑智卓越中心博士后周海波与上海交通大学医学院附属上海第一人民医院孙晓东教授共同指导完成。这两项工作得到了脑智卓越中心流式平台，上海科技大学分子细胞技术平台和成像平台，上海交通大学医学院附属上海第一人民医院的大力协助。这两项工作得到了中国科学技术部、国家自然科学基金、中国科学院、上海市的项目资助。
图1 CasRx介导的Pten体内体外的下调(Protein & Cell)
A.质粒示意图;B.N2a细胞中Pten的下调;C.Western检测PTEN及AKT的表达; D.CasRx与shRNA脱靶比较;E.尾静脉注射质粒示意图;F.G.H.免疫荧光，qPCR，western分别检测Pten及p-AKT的表达
图2 血清胆固醇的调节以及Pcsk9的可逆调控(Protein & Cell)
A.针对Pcsk9的AAV8病毒注射示意图;B.肝组织中Pcsk9的表达量;C.血清PCSK9的表达量;D.血清胆固醇水平;E.F.血清ALT和AST的测定;G.可逆调节注射示意图; H.Pcsk9的动态调控。
图3 AAV介导CasRx减少了AMD小鼠模型中CNV的面积(National Science Review)
A.小鼠和人序列比较以及sgRNA示意图;B.C.在293T和N2a细胞中敲低Vegfa;D.VEGFA蛋白的表达;E.AAV病毒质粒示意图;F.实验流程图;G.CasRx的mRNA表达水平;H.I.激光烧伤之前或之后7天的Vegfa mRNA水平;J.CNV诱导3天后的VEGFA蛋白水平;K.激光烧伤7天后，用PBS或AAV-CasRx-Vegfa注射的代表性CNV图像;L.M.CNV面积统计。