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张锋:新“魔剪”可用于编辑人类细胞RNA

来源:生物探索 2017-10-13 13:00




2012年8月,发表在Science杂志上的一篇论文首次证实了CRISPR/Cas9这一天然免疫系统的基因组编辑功能。很快,这一被誉为“基因魔剪”的新技术就在生命科学、农学、医学等多个领域风靡。这几年,科研圈的 “CRISPR热”是有目共睹的。除了利用CRISPR/Cas9开展多种多样的研究,全球各国的科学家们还在积极寻找其它版本的“魔剪”。

2016年6月,该领域的“大神”、美国Broad研究所的张锋获得了一项重要成果。在一篇Science论文中,他带领的团队首次描述了一种RNA靶向的CRISPR酶——C2c2(现在被称为 Cas13a)。与CRISPR/Cas9切割DNA的活性不同,CRISPR/Cas13a能够用于切割细菌细胞中特定的RNA序列。

这篇论文发表后,CRISPR/Cas13a成了很多科研团队的“新宠”。仅仅3个月,CRISPR先驱、加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授就在Nature杂志上发表一篇论文,证实CRISPR/Cas13a能够用于RNA检测。

今年4月,张锋团队又发表一篇Science论文。研究描述了CRISPR/Cas13a如何“变身”高度灵敏的“探测器”:能够指示出目标RNA或DNA分子中单分子的存在。这一新工具被研究者们授予了SHERLOCK(神探夏洛克)的称号。他们认为,有一天,这一技术可能被用于应对病毒和细菌爆发、监测抗生素耐药性以及检测癌症。

这些研究进展有力证实了CRISPR/Cas13a多种不同方向的应用前景。然而,正如最初科学家们在发现CRISPR/Cas9的基因编辑功能后,第一时间想证实其能否用于哺乳动物细胞一样,张锋团队一直在探索CRISPR/Cas13a能否在这类细胞中发挥作用。

10月4日,张锋等最新发表在Nature杂志的一篇论文首次明确回答的了这一问题。研究证实,CRISPR/Cas13a能够在哺乳动物细胞中“工作”,即,特异性地下调内源性和报告RNAs的水平。

重要发现

研究中,科学家们测试了来自15种不同微生物的Cas13酶,最终找到了最“符合心意”的一个——来自Leptotrichia wadei的LwaCas13a。利用LwaCas13a使得研究者们能够以比当前的RNA敲低工具(RNA干扰,RNAi)更强的特异性在目标RNA上切割特定的位点。研究人员称,尽管RNAi是一种有用的工具,但它经常导致研究人员不想要的“脱靶效应”(即,没有作用于预想的位置),而LwaCas13a显着降低了这种脱靶效应。

Credit : Images from RCSB PDB (www.rcsb.org); Cas13a molecule PDB ID 5WTJ, RNA molecule PDB ID 5LYU; composition by Lauren Solomon, Broad Communications.

具体来说,张锋团队制作了一个双质粒RNA靶向CRISPR系统(two-plasmid RNA-targeting CRISPR system)。一个质粒表达导向RNA(guide RNA),另一个表达Cas13a基因。研究结果显示,CRISPR-Cas13a有效地编辑了转录自一个报告质粒以及人类细胞中3个内源性基因的RNA。

此外,该研究中,张锋团队还找到了一种所谓的Cas13“死亡变体”。这种Cas13变体能够结合目标RNA,但不能发挥切割作用。通过结合明亮的荧光标记,该版本的Cas13能够被用于追踪目标RNA的“轨迹”。

意外收获

值得一提的是,在这项研究中,科学家们还有一个意外的收获。此前,张锋团队曾证实,在细菌中,在切割了目标RNA后,Cas13a还会继续切割非目标RNA。那么,在哺乳动物细胞中,Cas13a是否也是同样如此呢?

利用RNA测序,研究人员证实,不同于在细菌中的作用方式,在人类细胞系中,Cas13a只会靶向由导向RNA指定的RNA,从而让细胞内其它的RNA序列保持完整。这是非常令人惊讶以及令人困惑的结果。为什么在人类细胞中,Cas13a非特异性的RNA切割功能没有“生效”呢?这一问题还需进一步解答。

业内评价

就这项新成果,美国罗彻斯特大学的Mitchell O’Connell点评道:“在CRISPR之前,RNAi是调节基因表达的‘圣杯’。但这项研究证实,Cas13a和RNAi的效率是相似的。前者最大的好处之一是,它似乎具有更强的特异性。此外,由于CRISPR/Cas13a本身并不是来自哺乳动物细胞,因此,与RNAi相比,它不太可能会扰乱细胞内天然的转录后网络。”

哈佛大学化学生物学教授David Liu表示,这是一项非常漂亮的研究。它证明了CRISPR/Cas13a系统可编程的(programmable)RNA靶向能力。

前景展望

该研究的共同第一作者、张锋的研究生Omar Abudayyeh说:“尽管我们已经有了很好的工具来删除基因,但这些工具仍然有很多限制,使得研究基因的功能非常困难。Cas13能够让我们降低基因表达的水平,而不是完全消除这些基因。这一改变对于研究基因,以及开发纠正基因疾病更低毒的疗法是非常有帮助的。”

Broad研究所官网的报道称,证实CRISPR-Cas13a能够在哺乳动物细胞中安全、有效地“工作”是利用该系统研究人类生物学和疾病的非常关键的一步。CRISPR-Cas13a为学习细胞功能,以及设计更安全的疗法带来了新的机会。(生物谷Bioon.com)
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