張鋒再發 CRISPR 新突破！「魔剪」可實現同時編輯4個基因

2016年12月5日，Nature Biotechnology雜誌在線發表了題為「Multiplex gene editing by CRISPR–Cpf1 using a single crRNA array」的研究成果。CRISPR 先驅張鋒以及Wageningen 大學的 John van der Oost 是這篇論文的共同通訊作者。

突破：可同時編輯4個基因

近幾年，CIRSPR 技術飛速發展，除了「元老」 CIRSPR/Cas9系統，科學家們還找到了一些新「選手」。2015年9月，張鋒研究組在Cell雜誌上發表的一篇論文中首次提出了新型基因編輯系統 CRISPR/Cpf1。Broad 研究所 Eric Lander 教授稱，該研究證明了 Cpf1 在編輯人類基因組中非凡強大的功能。

在這項新研究中，科學家們發現，CRISPR/Cpf1 系統能夠克服 Cas9 靶向多個基因位點的限制。研究表明，Cpf1 加工自身 CRISPR RNA (crRNA)的能力可用於簡化多重基因組編輯。使用單個定製的 CRISPR 陣列（array），研究人員實現了在哺乳動物細胞中同時編輯多達4個基因，在小鼠大腦中同時編輯3個基因。

4月：2篇Nature、1篇Cell

自 CRISPR/Cpf1 系統被提出以來，來自全球各國的科學家紛紛對其展開進一步的研究。今年4月，CRISPR/Cpf1 系統迎來了一個發文小高峰。

4月20日，發表在Nature雜誌上題為「The crystal structure of Cpf1 in complex with CRISPR RNA」的研究中，哈爾濱工業大學生命學院黃志偉教授及其團隊首次揭示了CRISPR-Cpf1 識別 crRNA 的複合物結構。

同日發表在Nature上題為「The CRISPR-associated DNA-cleaving enzyme Cpf1 also processes precursor CRISPR RNA」的研究證明了Cpf1在定向基因編輯中能執行 RNA 加工和 DNA 切割兩個活動，這可能打開了對特定序列基因組編輯和沉默的新方向。CRISPR先驅Emmanuelle Charpentier是這一研究的通訊作者。

4月21日，發表在Cell雜誌上題為「Crystal Structure of Cpf1 in Complex with Guide RNA and Target DNA」的研究揭示出了Cpf1/嚮導RNA/靶DNA複合物的晶體結構。張鋒及東京大學 Osamu Nureki 教授是這一研究的共同通訊作者。

6月：3篇Nature Biotechnology

另一個發文高峰是在6月。據不完全統計，Nature Biotechnology雜誌當月連發了3篇與CRISPR/Cpf1系統相關的成果。

題為「Genome-wide analysis reveals specificities of Cpf1」和題為「Targeted mutagenesis in mice by electroporation of Cpf1 ribonucleoproteins」的兩篇論文證實了Cpf1作為一種不會引發意外突變的精確基因組編輯工具具有的優勢。韓國基礎科學研究所的Jin-Soo Kim是這兩項研究的通訊作者。

題為「Genome-wide specificities of CRISPR-Cas Cpf1 nucleases in human cells」的研究解析了新一代的CRISPR-Cas Cpf1核酸酶在人類細胞中的全基因組特異性。麻省總醫院/哈佛醫學院的 J Keith Joung 和 Benjamin P Kleinstiver 是這一研究的共同通訊作者。

展望：新系統層出不窮，「各領風騷」

在科學家們的共同努力下，基因編輯工具家族可謂是越來越壯大。一方面，研究人員在 CRISPR/ Cas9系統基礎上進行改造，實現了多種新功能，包括只「剪」單個鹼基、任意編輯非分裂細胞等。

另一方面，科學家們也開發出了一些新的系統，除了上文中提到的CRISPR/Cpf1，還包括張鋒研究組提出的靶向 RNA 的 CRISPR/C2c2 系統、南京大學科學家提出的結構引導的 DNA 編輯工具——SGN 等。

CRISPR 先驅 Jennifer Doudna 在接受Cell雜誌採訪時表示，CRISPR 的多功能性為能夠改善人類生活的生物學和醫學研究帶來了新的、更廣泛的可能。希望這一被寄予厚望的「魔剪」真正能夠改變人類疾病的治療，成為戰勝病魔的有效工具。

參考文獻：

Cell：Cpf1 Is a Single RNA-Guided Endonuclease of a Class 2 CRISPR-Cas System

Nature Biotechnology：Multiplex gene editing by CRISPR–Cpf1 using a single crRNA array

相關論文信息

題目Multiplex gene editing by CRISPR–Cpf1 using a single crRNA array

Bernd Zetsche

作者Zetsche B, Heidenreich M, Mohanraju P, et al.

期刊Nature Biotechnology (2016)

doi:10.1038/nbt.3737

發表日期Published online 05 December 2016

摘要Targeting of multiple genomic loci with Cas9 is limited by the need for multiple or large expression constructs. Here we show that the ability of Cpf1 to process its own CRISPR RNA (crRNA) can be used to simplify multiplexed genome editing. Using a single customized CRISPR array, we edit up to four genes in mammalian cells and three in the mouse brain, simultaneously.

鏈接http://www.nature.com/nbt/journal/vaop/ncurrent/full/nbt.3737.html