Nature：重大进展！张锋团队在动物身上发现了新的类似CRISPR/Cas的系统，可以编辑人类基因组

在一项新的研究中，美国布罗德研究所以及麻省理工学院麦戈文大脑研究所的张锋（Feng Zhang）教授领导的一个研究团队发现了包括真菌、植物和动物在内的真核生物中第一个可编程的RNA引导系统。该团队描述了该RNA引导系统如何基于一种名为Fanzor的蛋白。他们发现Fanzor蛋白使用RNA作为向导，精确地靶向DNA，并且Fanzor可以经重编程后编辑人类细胞的基因组。与CRISPR/Cas系统相比，紧凑的Fanzor系统有可能更容易作为治疗药物被递送到细胞和组织中，而对它们的进一步完善以提高它们的靶向效率有可能使它们成为人类基因组编辑的宝贵新技术。相关研究结果于2023年6月28日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease”。

CRISPR/Cas首先在原核生物（细菌和其他缺乏细胞核的单细胞生物）中被发现，包括Zhang实验室在内的科学家们长期以来一直想知道真核生物中是否存在类似系统。这项新的研究表明RNA引导的DNA切割机制存在于所有生命王国。

Zhang说，“基于CRISPR的系统被广泛使用且功能强大，因为它们可以轻松地经重编程后靶向基因组的不同位点。这种新系统是在人类细胞中进行精确改变的另一种方式，补充了我们已经拥有的基因组编辑工具。”

搜索生命的领域

Zhang实验室的一个主要目标是利用能够通过靶向特定基因和过程对人类细胞进行调控的系统来开发遗传药物。Zhang说，“若干年前，我们开始问，‘在CRISPR之外还有什么，自然界中还有其他RNA可编程系统吗？’”

两年前，Zhang实验室成员在原核生物中发现了一类称为OMEGA的RNA可编程系统（Science, 2021, doi:10.1126/science.abj6856），它们通常与细菌基因组中的转座因子或者说“跳跃基因”相关联，并可能产生了CRISPR/Cas系统。他们还强调了原核生物OMEGA系统和真核生物中的Fanzor蛋白之间的相似性，表明Fanzor酶也可能使用RNA引导的机制来靶向和切割DNA。

在这项新的研究中，这些作者通过从真菌、藻类和变形虫物种以及一种称为北方蛤（Northern Quahog）的蛤蜊中分离出Fanzor，继续研究RNA引导系统。论文共同第一作者、Zhang实验室的Makoto Saito领导了Fanzor蛋白的生化表征，显示它们是切割DNA的核酸内切酶，利用附近的非编码RNA（称为ωRNA）来靶向基因组中的特定位置。这是第一次在诸如动物之类的真核生物中发现这种机制。

与CRISPR蛋白不同，Fanzor酶是在真核生物基因组的转座因子内编码的，该团队的系统发育分析表明，Fanzor基因通过所谓的水平基因转移从细菌迁移到真核生物。

Saito说，“这些OMEGA系统更像是CRISPR的祖先，它们是地球上最丰富的蛋白之一，所以它们能够在原核生物和真核生物之间来回跳跃是有道理的。”

为了探索Fanzor作为基因组编辑工具的潜力，这些作者证明它可以在人类细胞内的靶基因组位点进行序列插入和缺失。

这些作者发现Fanzor系统最初在切割DNA方面的效率低于CRISPR/Cas系统，但通过系统工程，他们在Fanzor蛋白中引入了一个突变组合，使它的活性提高了10倍。此外，与一些CRISPR系统和OMEGA蛋白TnpB不同，他们发现一种真菌衍生的Fanzor蛋白没有表现出 “附带活性”，即一种RNA引导的酶在切割它的DNA靶标的同时也降解附近的DNA或RNA。这些结果表明，Fanzor有可能经开发后实现高效的基因组编辑。

图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06356-2。

论文共同第一作者Peiyu Xu领导了一项分析Fanzor/ωRNA复合物的分子结构的工作，并说明了它如何结合DNA以便进行随后的切割。Fanzor与它的原核生物对应物CRISPR-Cas12蛋白在结构上有相似之处，但是ωRNA与Fanzor的催化结构域之间的相互作用更为广泛，这表明ωRNA可能在Fanzor的催化反应中发挥作用。Xu 说，“我们对这些结构上的新见解感到兴奋，因为它们有助于我们进一步设计和优化Fanzor，以提高它作为一种基因组编辑器的效率和精度。”

像基于CRISPR的系统一样，Fanzor系统可以很容易经重编程后靶向特定的基因组位点，Zhang说，它有朝一日可能发展成为一种强大的新基因组编辑技术，用于研究和治疗应用。像Fanzor这样的由RNA引导的核酸内切酶的大量出现，进一步扩大了整个生命王国中已知的OMEGA系统的数量，并表明还有更多的系统尚待发现。

Zhang说，“大自然太神奇了。有如此多的多样性。可能还有更多的RNA可编程系统，我们正在继续探索，希望能发现更多。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Makoto Saito et al. Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06356-2.

2. Researchers uncover new CRISPR-like system in animals that can edit the human genome
https://www.broadinstitute.org/news/researchers-uncover-new-CRISPR-like-system-in-animals-that-can-edit-the-human-genome