CRISPR-Cas基因編輯工具自問世以來，已徹底顛覆了生物技術與醫學研究的格局。然而，如何讓這把"分子剪刀"更精準地區分癌變細胞與正常細胞，一直是科學家們追求的終極目標。近日，發表于Nature期刊（2026年，DOI: 10.1038/s41586-026-10384-z）的一項研究帶來了重大突破：一種名為ThermoCas9的Cas9變體，能夠根據DNA的甲基化狀態，實現對腫瘤細胞DNA的選擇性切割，而對健康細胞幾乎無影響。
這項研究由美國密歇根州范安德爾研究所（Van Andel Institute）的RNA結構生物學家Hong Li領導完成。ThermoCas9最早于2017年從嗜熱脫硝芽孢桿菌（Geobacillus thermodenitrificans T12）中分離，由于其嗜熱性質，長期以來被視為工業酶的潛在來源，而非基因治療工具。然而，正是一次意外的發現改變了科學家對它的認知。
Li實驗室在研究另一種Cas9變體AceCas9時，率先觀察到了甲基化對Cas9活性的抑制作用，這一發現促使團隊測試ThermoCas9是否具有類似特性。結果令人振奮：ThermoCas9不僅對甲基化敏感，而且其敏感范圍更廣——它在CpG和CpC兩種甲基化模式下均受到抑制，而AceCas9僅對CpC甲基化有響應。
"在哺乳動物基因組中，絕大多數甲基化胞嘧啶處于CpG環境中。" ——賓夕法尼亞大學表觀遺傳學家 Rahul M. Kohli
賓夕法尼亞大學的生物化學家和表觀遺傳學家Rahul M. Kohli（未參與該研究）解釋了為何CpG甲基化如此重要：在哺乳動物基因組中，兩條互補DNA鏈上相對位置的CpG序列均可被甲基化，形成對稱甲基化，細胞機制能夠識別并維持這種狀態，以確保細胞分裂后甲基化標記得以傳承。這也意味著，CpG甲基化是哺乳動物表觀遺傳調控的核心語言，而ThermoCas9恰好能夠"讀懂"這門語言。
為揭示其工作原理，Li團隊利用冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術，以原子級分辨率解析了ThermoCas9與DNA的結合結構。結果顯示，ThermoCas9與PAM序列（原間隔區相鄰基序，即Cas9識別并結合DNA的關鍵位點）中的CpG胞嘧啶之間的空間距離極為接近，甲基化所添加的甲基基團會在物理層面直接阻止ThermoCas9與DNA的結合。Hong Li描述道："甲基化將物理性地排除ThermoCas9的切割或結合。"這種純粹的空間位阻效應，賦予了ThermoCas9近乎100%的選擇性。
研究關鍵數據：ThermoCas9在PAM序列含CpG或CpC甲基化時，抑制率接近100%，即完全喪失切割活性；而在未甲基化的相同序列上，其切割效率與標準Cas9相當。
這一特性與癌癥生物學中的關鍵現象完美契合：許多腫瘤細胞會在抑癌基因的關鍵調控區域發生去甲基化，導致這些基因異常激活，進而促進腫瘤形成。研究團隊以乳腺癌細胞為模型，實驗證實ThermoCas9能夠選擇性切割那些在腫瘤相關基因位點已經失去甲基化的癌細胞DNA，而在相同位點仍保持甲基化的正常細胞中，ThermoCas9則保持"沉默"，不做任何切割。
這種精準區分意義重大。傳統CRISPR療法面臨的最大挑戰之一，便是如何避免在切割致病基因的同時，對正常細胞造成"脫靶"損傷。ThermoCas9通過讀取甲基化這一天然表觀遺傳標記，構建了一道天然的"保護屏障"，從原理上消除了對正常細胞的誤傷風險。
不過，Hong Li也坦誠指出，將ThermoCas9真正轉化為臨床癌癥療法，仍有大量工作要做。首先，研究團隊需要系統鑒定哪些腫瘤類型、哪些基因位點存在臨床相關的去甲基化特征，以及如何設計針對這些位點的向導RNA（gRNA）。其次，如何高效且安全地將ThermoCas9遞送至腫瘤細胞，同樣是重大挑戰。此外，體內實驗中ThermoCas9的切割特異性和效率，還需要在更多模型中得到驗證。
Kohli對ThermoCas9的研究價值給予了高度評價，他認為其潛在應用遠不止于腫瘤治療。表觀遺傳研究長期受困于工具的局限：研究人員既難以在單堿基精度上區分甲基化與非甲基化DNA，也難以僅基于甲基化狀態來操控特定基因。ThermoCas9提供了一種全新的解決方案。
"在表觀遺傳學中，我們喜歡討論基因組不僅僅是四個堿基。它是五個堿基，甲基化胞嘧啶是這個有趣且動態的堿基，有助于塑造不同的細胞類型。能夠超越四個堿基獲得特異性，現在能夠區分第五種狀態——這確實是我從中得到的關鍵要點。" ——Rahul M. Kohli
從更宏觀的視角來看，ThermoCas9的發現代表了CRISPR工具箱的一次重要擴充。過去十年，科學家們已經開發出了堿基編輯器、先導編輯器、表觀基因組編輯器等多種CRISPR衍生工具，但真正能夠將編輯活性與天然表觀遺傳標記掛鉤的工具，至今仍鳳毛麟角。ThermoCas9的出現，讓基因編輯從"序列識別"邁向了"狀態識別"，為表觀遺傳驅動的疾病治療開辟了新的可能。
原文來源：Max Barnhart, "Methylation-sensitive Cas9 can selectively target DNA in tumor cells", Chemical & Engineering News, 2026年4月17日
原文鏈接：https://cen.acs.org/biological-chemistry/gene-editing/methylation-sensitive-Cas9/104/web/2026/04
參考文獻：Nature 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10384-z
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