▎药明康德内容团队编辑自从CRISPR/Cas基因编辑系统于2012年首次发表以来，这个源于古菌和细菌免疫系统的系统迅速被运用于包括人类的真核生物基因编辑，在十年间颠覆了整个生物技术领域。CRISPR/Cas系统为我们带来了从根本上治愈多种疾病的曙光。2019年，一位镰状细胞贫血病患者成为首位接受CRISPR基因编辑治疗的患者；2020年，体内CRISPR基因编辑首次进入临床试验阶段……在CRISPR/Cas系统中，效应蛋白（例如Cas9或Cas12）扮演了DNA内切酶的角色，它们可以在基因组的特定位点切开DNA分子，为基因编辑创造了条件。不过，这套系统也存在不足之处，例如存在脱靶效应，以及Cas蛋白尺寸较大，限制了递送至细胞的过程。在持续改造优化CRISPR/Cas系统、持续挖掘其治疗潜力的同时，全球科学家们也在寻找具有基因编辑潜力的新工具。2021年，CRISPR领域先驱，Broad研究所和MIT麦戈文脑科学研究所的张锋教授带领团队，就在一篇《科学》论文中报道了一类同样起源于细菌的全新RNA引导核酸酶——OMEGA。OMEGA系统使用IscB、IsrB或TnpB这几种小蛋白作为内切酶，相比于Cas更容易被递送至细胞中。在对OMEGA系统的研究中，张锋教授团队注意到，效应蛋白TnpB一方面是Cas12的祖先，另一方面也是真核生物转座子编码的Fanzor蛋白的祖先。这样的起源进化关系使得研究团队开始猜想，或许Fanzor蛋白同样可以使用RNA引导机制来靶向、剪切DNA，成为全新的基因编辑工具。今日，张锋教授团队在一篇在线发表于《自然》杂志的论文中带来了这项重磅发现，找到了真核生物中的“CRSIPR”——研究团队首次在真核生物中发现了可编程的RNA引导系统。在RNA的引导下，Fanzor蛋白得以精准靶向DNA，有潜力成为更精准的基因编辑工具。这项研究还表明，RNA引导的DNA内切酶不仅局限于原核生物与CRISPR中，而是普遍存在于整个生物王国中。“数年前，我们就开始思考，除了CRISPR，自然界里还有哪些可编程的RNA系统？” 张锋教授表示。在注意到了OMEGA系统中TnpB蛋白与Fanzor蛋白的演化关联后，张锋教授团队分别在真菌、藻类和一种蛤蜊中分离出Fanzor蛋白，继续RNA引导系统的研究。作者对Fanzor蛋白进行了生物化学特征分析，结果证实了Fanzor蛋白是可在RNA指引下剪切DNA的核酸内切酶，它们可使用邻近的非编码RNA（ωRNA）靶向剪切基因组的特定位点。对Fanzor蛋白的研究结果证实，RNA引导的DNA内切酶以及OMEGA系统也可以存在于真核生物中。对于真核生物中Fanzor蛋白的来源，研究团队通过系统发生分析得出了结论：Fanzor蛋白的基因是通过水平基因转移过程，由细菌迁移至真核生物中的。“OMEGA系统相比于CRISPR更加远古，它们是地球上含量最丰富的蛋白质之一，因此在原核生物和真核生物之间的来回跳跃就说的通了。”论文第一作者，张锋实验室的博士后Makoto Saito表示。▲3种RNA引导的DNA内切酶的对比（图片来源：参考资料[1]）研究团队进一步探索了Fanzor蛋白作为基因编辑工具的潜力。研究证实，它可以靶向人类细胞的DNA位点，插入或删除基因片段。Fanzor系统原始的DNA剪切效率虽然低于CRISPR/Cas系统，但通过系统的编辑、将突变组合引入蛋白质中，其活性提高了10倍。此外，Fanzor的氨基酸数量与TnpB蛋白相近、远小于Cas蛋白，因此在递送时具有优势。此外，不同于CRISPR/Cas系统和OMEGA系统的TnpB蛋白，研究团队发现来自真菌的Fanzor蛋白没有表现出旁切活性，即在剪切目标DNA时不会波及邻近的DNA、导致不必要的编辑。这一现象表明，Fanzor有可能发展为高效的基因编辑工具。研究团队还通过冷冻电镜分析了Fanzor/ωRNA复合物的分子结构。与CRISPR-Cas12的结构对比揭示出了两种蛋白在结构上的相似性，但ωRNA与Fanzor催化结构域之间的相互作用更为广泛，这表明ωRNA可能在催化反应中发挥作用。这样的结构有助于进一步改造、优化Fanzor蛋白，提升基因编辑效率和准确度。▲Fanzor蛋白冷冻电镜结构（图片来源：张锋实验室）与CRISPR系统一样，Fanzor系统也易于通过重编程以靶向特定的基因组位点。张锋教授表示，这个全新的系统有望被开发成强大的基因编辑技术，用于基础研究和疾病治疗。这项源自真核生物的突破性发现也表明，在令人惊叹的自然界，还有更多具有强大潜力的RNA可编程系统等待探索与发现。[1] Saito, M., Xu, P., Faure, G. et al. Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06356-2[2] Researchers uncover new CRISPR-like system in animals that can edit the human genome. Retrieved June 29, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/993889本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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