プログラム可能なゲノム編集のための光熱ナノCRISPRの近赤外オプトジェネティックエンジニアリング

Near-infrared optogenetic engineering of photothermal nanoCRISPR for programmable genome editing.

• Xiaohong Chen
• Yuxuan Chen
• Huhu Xin
• Tao Wan
• Yuan Ping

抄録

本論文では、第二近赤外（NIR-II）光学系において、プログラム可能なゲノム編集のための光遺伝学的に活性化可能なCRISPR-Cas9ナノシステムを報告する。ナノCRISPRと呼ばれるこのナノシステムは、カチオンポリマーでコーティングされた金ナノロッド（APC）と熱誘導性プロモーターによって駆動されるCas9プラスミドで構成されています。APC は細胞内プラスミド輸送のためのキャリアとして機能するだけでなく、外部の NIR-II 光エネルギーを利用して局所的な熱に変換し、Cas9 エンドヌクレアーゼの遺伝子発現を誘導することができます。高いトランスフェクション活性により、APCは、オプトジェネティックな活性化に伴い、異なるゲノム座位において有意なレベルの破壊を誘導する強力な能力を示している。さらに、ゲノム編集活性の正確な制御は、in vitroおよびin vivoでの照射時間と照射時間を微調整することによって簡単にプログラムすることができ、また、複数の時点での編集を可能にし、このような編集モダリティの感度と誘導性を証明しています。nanoCRISPRのNIR-II光学的特徴は、深部組織でのゲノム編集を可能にし、深部腫瘍の治療や劇症肝炎の救命などの治療例を実証しています。重要なことに、オプトジェニックゲノム編集のこのモダリティは、ほとんどの潜在的なオフターゲット部位におけるCRISPR-Cas9のオフターゲット効果を有意に最小化することができる。我々が開発したオプトジェニックに活性化可能なCRISPR-Cas9ナノシステムは、CRISPR-Cas9の現在のアプリケーションを拡大するための有用なツールを提供するとともに、高精度かつ空間的特異性を目指したプログラム可能なゲノム編集戦略を定義している。

We herein report an optogenetically activatable CRISPR-Cas9 nanosystem for programmable genome editing in the second near-infrared (NIR-II) optical window. The nanosystem, termed nanoCRISPR, is composed of a cationic polymer-coated Au nanorod (APC) and Cas9 plasmid driven by a heat-inducible promoter. The APC not only serves as a carrier for intracellular plasmid delivery but also can harvest external NIR-II photonic energy and convert it into local heat to induce the gene expression of the Cas9 endonuclease. Due to high transfection activity, the APC shows strong ability to induce a significant level of disruption in different genomic loci upon optogenetic activation. Moreover, the precise control of genome-editing activity can be simply programmed by finely tuning exposure time and irradiation time in vitro and in vivo and also enables editing at multiple time points, thus proving the sensitivity and inducibility of such an editing modality. The NIR-II optical feature of nanoCRISPR enables therapeutic genome editing at deep tissue, by which treatment of deep tumor and rescue of fulminant hepatic failure are demonstrated as proof-of-concept therapeutic examples. Importantly, this modality of optogenetic genome editing can significantly minimize the off-target effect of CRISPR-Cas9 in most potential off-target sites. The optogenetically activatable CRISPR-Cas9 nanosystem we have developed offers a useful tool to expand the current applications of CRISPR-Cas9, and also defines a programmable genome-editing strategy toward high precision and spatial specificity.