突破！張鋒又1篇Nature：新「魔剪」可用於編輯人類細胞RNA

2012年8月，發表在Science雜誌上的一篇論文首次證實了CRISPR/Cas9這一天然免疫系統的基因組編輯功能。很快，這一被譽為「基因魔剪」的新技術就在生命科學、農學、醫學等多個領域風靡。這幾年，科研圈的 「CRISPR熱」是有目共睹的。除了利用CRISPR/Cas9開展多種多樣的研究，全球各國的科學家們還在積極尋找其它版本的「魔剪」。

2016年6月，該領域的「大神」、美國Broad研究所的張鋒獲得了一項重要成果。在一篇Science論文中，他帶領的團隊首次描述了一種RNA靶向的CRISPR酶——C2c2（現在被稱為 Cas13a）。與CRISPR/Cas9切割DNA的活性不同，CRISPR/Cas13a能夠用於切割細菌細胞中特定的RNA序列。

Cas13a bound to and cleaving single-stranded RNA.STEPHEN DIXON（圖片來源：The Scientist）

這篇論文發表後，CRISPR/Cas13a成了很多科研團隊的「新寵」。僅僅3個月，CRISPR先驅、加州大學伯克利分校的Jennifer Doudna教授就在Nature雜誌上發表一篇論文，證實CRISPR/Cas13a能夠用於RNA檢測。

今年4月，張鋒團隊又發表一篇Science論文。研究描述了CRISPR/Cas13a如何「變身」高度靈敏的「探測器」：能夠指示出目標RNA或DNA分子中單分子的存在。這一新工具被研究者們授予了SHERLOCK（神探夏洛克）的稱號。他們認為，有一天，這一技術可能被用於應對病毒和細菌爆發、監測抗生素耐藥性以及檢測癌症。

這些研究進展有力證實了CRISPR/Cas13a多種不同方向的應用前景。然而，正如最初科學家們在發現CRISPR/Cas9的基因編輯功能後，第一時間想證實其能否用於哺乳動物細胞一樣，張鋒團隊一直在探索CRISPR/Cas13a能否在這類細胞中發揮作用。

圖片來源：Nature

10月4日，張鋒等最新發表在Nature雜誌的一篇論文首次明確回答的了這一問題。研究證實，CRISPR/Cas13a能夠在哺乳動物細胞中「工作」，即，特異性地下調內源性和報告RNAs的水平。

重要發現

研究中，科學家們測試了來自15種不同微生物的Cas13酶，最終找到了最「符合心意」的一個——來自Leptotrichia wadei的LwaCas13a。利用LwaCas13a使得研究者們能夠以比當前的RNA敲低工具（RNA干擾，RNAi）更強的特異性在目標RNA上切割特定的位點。研究人員稱，儘管RNAi是一種有用的工具，但它經常導致研究人員不想要的「脫靶效應」（即，沒有作用於預想的位置），而LwaCas13a顯著降低了這種脫靶效應。

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

具體來說，張鋒團隊製作了一個雙質粒RNA靶向CRISPR系統（two-plasmid RNA-targeting CRISPR system）。一個質粒表達導向RNA（guide RNA），另一個表達Cas13a基因。研究結果顯示，CRISPR-Cas13a有效地編輯了轉錄自一個報告質粒以及人類細胞中3個內源性基因的RNA。

此外，該研究中，張鋒團隊還找到了一種所謂的Cas13「死亡變體」。這種Cas13變體能夠結合目標RNA，但不能發揮切割作用。通過結合明亮的熒游標記，該版本的Cas13能夠被用於追蹤目標RNA的「軌跡」。

意外收穫

值得一提的是，在這項研究中，科學家們還有一個意外的收穫。此前，張鋒團隊曾證實，在細菌中，在切割了目標RNA後，Cas13a還會繼續切割非目標RNA。那麼，在哺乳動物細胞中，Cas13a是否也是同樣如此呢？

利用RNA測序，研究人員證實，不同於在細菌中的作用方式，在人類細胞系中，Cas13a只會靶向由導向RNA指定的RNA，從而讓細胞內其它的RNA序列保持完整。這是非常令人驚訝以及令人困惑的結果。為什麼在人類細胞中，Cas13a非特異性的RNA切割功能沒有「生效」呢？這一問題還需進一步解答。

圖片來源：The Scientist

業內評價

就這項新成果，美國羅徹斯特大學的Mitchell O』Connell點評道：「在CRISPR之前，RNAi是調節基因表達的『聖杯』。但這項研究證實，Cas13a和RNAi的效率是相似的。前者最大的好處之一是，它似乎具有更強的特異性。此外，由於CRISPR/Cas13a本身並不是來自哺乳動物細胞，因此，與RNAi相比，它不太可能會擾亂細胞內天然的轉錄後網路。」

哈佛大學化學生物學教授David Liu表示，這是一項非常漂亮的研究。它證明了CRISPR/Cas13a系統可編程的（programmable）RNA靶向能力。

前景展望

圖片來源：Zhang lab

該研究的共同第一作者、張鋒的研究生Omar Abudayyeh說：「儘管我們已經有了很好的工具來刪除基因，但這些工具仍然有很多限制，使得研究基因的功能非常困難。Cas13能夠讓我們降低基因表達的水平，而不是完全消除這些基因。這一改變對於研究基因，以及開發糾正基因疾病更低毒的療法是非常有幫助的。」

Broad研究所官網的報道稱，證實CRISPR-Cas13a能夠在哺乳動物細胞中安全、有效地「工作」是利用該系統研究人類生物學和疾病的非常關鍵的一步。CRISPR-Cas13a為學習細胞功能，以及設計更安全的療法帶來了新的機會。

參考資料：

A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity

C2c2 is a single-componentprogrammable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector

Two distinct RNase activitiesof CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection

Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2

RNA targeting with CRISPR–Cas13

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