Jennifer Doudna最新研究：基于CRISPR的新型RNA敲低工具问世，效率更高、脱靶更低

CRISPR 基因编辑技术可以对生物体基因组进行精确编辑，自2012年问世后，已经彻底革新了基因编辑领域。利用这一技术，研究人员可以修正人类缺陷基因以治疗遗传疾病，改变病原体基因以消灭传染病，改良作物基因以培育优势品种等等。

由于 CRISPR 强大的多领域应用能力，这一技术的开创者加州大学伯克利分校的 Jennifer Doudna 和马克斯普朗克研究所的 Emmanuelle Charpentier 共同获得了2020年的诺贝尔化学奖。此后，本就处在发展快车道的 CRISPR 技术，开始在更多的领域取得新进展。

近日，Jennifer Doudna 团队在预印本平台 bioRxiv上发表了题为：Precise Transcript Targeting by CRISPR-Csm Complexes 的研究论文，介绍了 CRISPR 技术在靶向RNA敲低（Knockdown）领域上的最新应用成果：

在最小化脱靶效应的前提下，研究团队利用 CRISPR-Csm 系统在人类细胞中实现了高效的 RNA 靶向敲低，其效率最高可达99%。该研究表明 CRISPR-Csm 兼具现有技术的多种优势特点，可以作为一种高效、特异和多功能的 RNA 敲低工具。

 



从RNAi到Cas13：RNA的靶向敲低难题


在不对 DNA 造成永久改变的情况下，改变细胞和生物体中 RNA 和蛋白质的水平对基础和医学研究具有重要意义。

在过去的20年里，研究者们已经成功利用 RNA 干扰（RNAi）技术实现了真核生物中的靶向 RNA 敲低。这种技术利用小干扰RNA（siRNA）引导内源性核酸酶切割携带互补序列的靶向 RNA。然而，RNAi 技术存在着一些固有的局限性。例如，RNAi 可能会意外切割具有部分互补序列的靶标。此外，siRNA 在靶向细胞核RNA方面效率不高，因为 RNAi 机制主要存在于细胞质中。

CRISPR-Cas 技术可以作为 RNA 敲低的另一个选择。与 RNAi 类似，Cas 核酸酶利用小RNA（crRNAs）通过碱基互补配对来识别核酸目标。但是，与 RNAi 引导的内源性核酸酶不同，Cas 核酸酶不仅仅顺式切割互补 RNA，同时也会反式降解附近的非互补 RNA。



Cas13顺式和反式切割示意图



已有学者基于 Cas13 的反式切割活性开发出了病毒 RNA 检测工具。然而，近期研究表明 Cas13 在真核细胞中的反式切割活性会导致细胞毒性或细胞死亡。

 

超越RNAi和Cas13：RNA敲低进入Csm时代

 

由于现有方法的低效和不精确，目前很难在哺乳动物细胞中实现可靠和精准的 RNA 敲低。因此，研究人员致力于开发具有更高特异性和更广泛靶向能力的新型 RNA 敲低工具。CRISPR-Csm 就是其中的一个重要尝试

 

CRISPR-Csm 来自原核生物的III型 CRISPR 免疫系统，同时具有目标RNA依赖的脱氧核糖核酸酶（DNase）和环寡腺苷酸 （cOA） 合成酶活性。与 RNAi 不同，Csm 可以定位到细胞核，可用于靶向非编码 RNA 和前体 mRNA。与 Cas13 相比，Csm 也具有其特有的优势，因为 Csm 仅在 crRNA 标靶互补区产生顺式切割，而不发生反式切割事件，从而避免了 Cas13 可能导致的细胞毒性或细胞死亡。

 

在本研究中，Jennifer 等人选择了来自嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）的 Csm 来建立哺乳动物细胞中的 CRISPR-Cas 系统，并尝试对3个细胞核非编码RNA和8个细胞质 mRNA 进行靶向敲低，每个靶点测试三个 crRNA。



结果显示，与非靶向的 crRNA 对照组相比，实验组 crRNA 实现了对全部11个 RNA 靶点的分别敲低，且效率均在90%以上，最高可达99%。这表明 Csm 是一个高度稳定且高效的 RNA 敲低工具，可以对细胞质 RNA 和细胞核 RNA 都实现精确敲低。

 



crRNA转染后细胞内各靶点RNA的相对丰度



随后，研究人员进行了 RNA 测序，以检查 Csm 介导的敲低在细胞中的潜在脱靶效应。相比于未处理样本， Csm 处理的样本在目标转录本上实现了显著敲低，同时几乎未产生其他差异表达的基因。相比之下，Cas13 处理的样本在实现显著敲低的同时会产生数以千计的差异表达的脱靶基因。另外，RNAi（shRNA）处理的样本虽然差异表达的脱靶基因较少，但是其对细胞核 RNA（例如MALAT1）的敲低效果却欠佳。这表明 Csm 是三种 RNA 敲低方式中的最优选择。

 



Csm、Cas13或shRNA处理的细胞，与未处理细胞间转录水平的差异比较



为了验证三种敲低方式产生的细胞毒性，研究人员分别用 Csm、Cas13 或 shRNA 构建转染细胞后，使用 WST-1 检测细胞在一段时间内的增殖能力。结果表明，Cas13 处理的细胞，其增殖能力显著下降，而 Csm 或 shRNA 处理的细胞，其增殖能力则不受影响。

 



Csm、Cas13或shRNA转染后，细胞的相对活力/增殖能力比较



综合本研究的各项实验结果，不难发现 Csm 介导的 RNA 敲低兼具 Cas13 和 shRNA 策略的优点：同时拥有 Cas13 稳健的敲低和细胞核靶向能力，以及 shRNA 的最小的脱靶和细胞毒性。利用 CRISPR-Csm，研究人员在人类细胞中实现了高效的 RNA 敲低 （90%-99%），证实了多蛋白 CRISPR-Cas 效应子复合物作为真核生物RNA靶向工具的可行性和有效性。