10 月 7 日，Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna 因開發精準基因編輯技術摘得 2020 年諾貝爾化學獎，這再次將基因編輯 CRISPR 置於聚光燈下。同日，CRISPR 技術再迎重大進展，基因工程組公司 Synthego 宣布其開發出一種基礎技術，能夠通過光線精確控制在細胞內進行的 CRISPR 基因編輯。
官網顯示，Synthego 成立於 2012 年，是一家總部位於加利福尼亞矽谷的基因組工程公司。該公司由 Paul Dabrowski 和 Michael Dabrowski 兩兄弟共同創立，正式進軍生物科學領域之前，他們曾就職於埃隆 · 馬斯克創立的 SpaceX 公司。Synthego 正在通過機器學習，自動化和基因編輯為規模化的科學研究搭建平臺。通過基因組工程推動藥物發現和細胞以及基因療法。公司的主營業務包括利用 CRISPR 基因工程化改造細胞、提供合成化 RNA 解決方案以及提供生物信息學。
圖 | Synthego 業務（來源：Synthego 官網）
2020 年 8 月，該公司剛完成 1 億美元 D 輪融資，用於加速推動其 CRISPR 平臺發展。公開資料顯示，Synthego 共計完成四輪超 2.5 億美元融資，投資方不乏 8VC、英特爾、Founders Fund 以及真格等知名 VC。
近年來，CRISPR/Cas9 已經迅速發展為醫學領域一種最具潛力的基因編輯工具，它是繼鋅指核酸內切酶以及轉錄激活子樣效應因子核酸酶之後的又一種工程化核酸內切酶，被喻為 「基因魔剪」。但是，CRISPR 技術發展還不到十年，CRISPR/Cas9 系統在帶來一系列開創性成績的同時，也存在一系列的局限性，包括脫靶和染色體易位等。因此，眾多科學家仍在優化和微調這種基因編輯方法，而 Synthego 一直在改進這種方式，屬於該領域領跑者之一。
針對這些問題，Synthego 的研究人員開發出了光控 CRISPR 基因編輯的新技術 - CRISPRoff。這項技術能通過光照使在多個基因靶標和不同細胞系中 CRISPR 基因編輯滅活，還能通過優化斷開機制的時間成功地調整在靶與脫靶比率。這項研究 CRISPRoff enables spatio-temporal control of CRISPR editing 已經出版在了《自然通訊》上。
（來源：《自然通訊》）
據悉，這項研究是 Synthego 與美國國家標準與技術研究所（NIST）基因組編輯協會擴大合作，以進一步標準化基因編輯在疾病治療中的精確性和可複製性。
該公司首席科學家 Robert Deans 表示：「CRISPRoff 以及與 NIST 基因組編輯協會的合作突出了我們搭建尖端 CRISPR 平臺的承諾和能力，該平臺將標準化在多種疾病領域的基因編輯，並推動行業向前發展。隨著 Synthego 平臺越來越多地支持臨床試驗，控制脫靶效應和優化 CRISPR 技術的能力至關重要 。」
鑑於單向導 RNA（sgRNA）是 CRISPR 系統中最容易編程的組件，Synthego 的研究人員在 sgRNA 的兩個優化位置添加了鄰硝基苄基，這種物質對紫外線很敏感，一旦暴露於紫外線下，它們就會斷裂。在用特定波長的光照射，這種雙斷 sgRNA（DBsgRNA）很容易斷裂。這說明一旦將 DBsgRNA 用 Cas9 轉染到細胞中，它就可以正常編輯；但是置於光照下時，就會導致導向 RNA 斷裂，並停止 CRISPR 編輯。
圖 | CRISPRoff 機制示意圖（來源：Synthego 官網）
CRISPRoff 能調控細胞中的 CRISPR 編輯。研究人員首先使用片段分析儀驗證了在把 DBsgRNA 置於特定波長的光波下，DBsgRNA 會發生斷裂。然後，他們比較了用 DBsgRNA 在靶點位置進行基因編輯與標準 sgRNA 的區別。在使用 ICE 分析基因組序列時，他們記錄下在沒有光刺激情況下插入缺失標記。分析轉染後置於特定波長光波中的樣品時，他們發現 DBsgRNA 無法誘導基因插入或者缺失，而標準 sgRNA 仍然起作用且不受影響。（ICE 軟體可以為 CRISPR 研究人員提供高質量的基因編輯分析）
圖 | CRISPRoff 置於光照中停止基因編輯（數據顯示，在不同條件下，HEK293 細胞中靶基因的編輯效率。在沒有光照的情況下，DBsgRNA 和 sgRNA 的編輯效率一致。置於光線後，DBsgRNA 樣品的編輯效率顯著下降，而標準 sgRNA 的編輯能力卻不受影響。（n = 2 個成對的實驗重複，數據以平均值表示）。） （來源：Synthego 官網）
研究人員成功證明了通過 CRISPRoff 可以在細胞中進行光控 CRISPR 編輯，同時可適用於不同的基因靶點和細胞株中。
長久以來，科學家們一直在尋求降低 CRISPR 脫靶效應的方法，而 CRISPRoff 有望為最大程度地減少脫靶提供一種簡便方法。在以往的研究中，科學家們已經證明了在靶編輯比脫靶編輯速度要快。基於此，Synthego 的研究人員進行了探索。他們在不同的時間點將樣品置於光照下，並記錄下每個樣品中在靶與脫靶的比率。數據顯示，如果早期照亮細胞，DBsgRNA 中在靶與脫靶的比率更高。
CRISPRoff 作為一種可編程的 CRISPRoff，可以集成到現有的 CRISPR 工作流程中，且無需優化和其他實驗。該技術顯著提高基因在靶編輯效率，進一步提供基因編輯技術的安全性。
相比於化學刺激，使用光學刺激的一大優勢就是可以精確地控制空間。這有助於研究人員能夠在單個孔中研究複雜的信號傳導效應以及進一步理解特定基因在分化或類器官形成過程中所扮演的角色。他們在創建了一個表達綠色螢光蛋白基因（GFP）的細胞株，並設計了 sgRNAs 來創建 GFP 敲除表型。最終，研究人員通過敲除特定區域的 GFP，創建出了不同的空間模型。
圖 | 利用靶向 GFP 的 DBsgRNAs 進行基因編輯的空間模型（來源：上述論文）
此外，Synthego 公司的基因組編輯為應對新冠疫情也做出了貢獻。疫情期間，Synthego 學術界與科學家進行合作，研究 SARS-CoV-2 機制以及潛在的治療方案。比如，通過利用先進的基因組工具，Synthego 與加利福尼亞大學舊金山分校定量生物科學研究所合作研究與 SARS-CoV-2 相互作用的人類蛋白質所扮演的角色並闡釋了潛在的治療性靶標，相關成果發表在《自然》上面；Synthego 為開發 SHERLOCK CRISPR SARS-CoV-2 快速診斷療法提供了關鍵的嚮導 RNA 試劑，目前該療法已經的 FDA 的批准。
參考：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18853-3
https://www.biospace.com/article/releases/synthego-pioneers-next-generation-crispr-light-control-technology/
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