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出品丨虎嗅医疗组
作者丨苏北佛楼蜜
题图丨Unplash
2012年8月17日,詹妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)和埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanulle Charpentier)合作,在Science 杂志发表了基因编辑史上的里程碑论文,成功解析了CRISPR/Cas9基因编辑的工作原理。
华裔科学家张锋随后在Science杂志发表论文,首次将CRISPR/Cas9基因编辑技术改进并应用于哺乳动物和人类细胞。自此,近年来生命科学领域最耀眼的技术正式宣告诞生。三人的命运也因一项技术的出现而彼此交织,聚焦在诺贝尔奖的角逐上,但最终以张锋与诺奖是失之交臂而短暂告终。
8月31日,张锋在Nature Biotechnology发表了围绕基因编辑工具CRISPR/Cas13系统的最新研究。这项研究声称开发了目前最小的CRISPR/Cas13系统,可以更好地在体内进行RNA编辑,来治疗各种疾病,这一研究会给基因编辑带来哪些改变?我们离基因编辑又进一步了吗?
编辑RNA
CRISPR是一个广泛存在于细菌和古生菌基因组中的特殊DNA重复序列家族,充当了防御外源遗传物质的“基因武器”,全称为Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats,翻译为“成簇的规律间隔的短回文重复序列”,分布在40%的已测序细菌和90%的已测序古细菌当中。
其中,CRISPR序列由众多短而保守的重复序列区(repeat)和间隔区(spacer)组成。重复序列区含有回文序列,可以形成发卡结构。而间隔区比较特殊,它们是被细菌俘获的外源DNA序列。这就相当于细菌免疫系统的“黑名单”,当这些外源遗传物质再次入侵时,CRISPR/Cas系统就会予以精确打击。
CRISPR位点结构图
而在上游的前导区(leader)被认为是CRISPR序列的启动子,上游区域还有一个多态性的家族基因,这些基因编码的蛋白可以和CRISPR序列区域共同发生作用,他们被命名为CRISPR关联基因(CRISPR associated),缩写为Cas。目前已经发现了Cas1-Cas13等多种类型的Cas基因。
Cas基因与CRISPR序列共同进化,形成了在细菌中高度保守的CRISPR/Cas系统,这是一种原核生物的免疫系统,用来抵抗外源遗传物质的入侵,例如噬菌体病毒和外源质粒。同时,它为细菌提供了获得性免疫:这与哺乳动物的二次免疫类似,当细菌遭受病毒或者外源质粒入侵时,会产生相应的“记忆”,从而可以抵抗它们的再次入侵。
CRISPR/Cas系统可以识别出外源DNA,并将它们切断,沉默外源基因的表达。这与真核生物中RNA干扰(RNAi)的原理是相似的。正是由于这种精确的靶向功能,CRISPR/Cas系统被开发成一种高效的基因编辑工具,张锋就是研发这一工具的先驱之一。
在自然界中,CRISPR/Cas系统拥有多种类别,其中CRISPR/Cas9系统是研究最深入,应用最成熟的一种类别。现在,在实验室里,人们就可以使用CRISPR/Cas9技术轻松地实现基因编辑,但这一系统通常被用于编辑DNA,对于人体内另一种重要的遗传物质RNA则稍显疲软。
另一种蛋白Cas13则可以很好作用于RNA的蛋白,它被地应用于RNA表达敲低、RNA单碱基编辑和RNA定点修饰、RNA活细胞示踪以及核酸检测领域。相比于传统的RNA干扰技术,Cas13系统具有更高的敲低效率和特异性。
最重要的是,相比于Cas9介导的DNA编辑技术,Cas13蛋白不会对基因组造成永久性改变,甚至可以通过药物来调控RNA编辑,使其具有可逆性,因此在疾病治疗上具有比较独特的优势。张锋在研究中强调,他们找到了最小的Cas13蛋白,并将其命名为Cas13bt,它的大小只有其他Cas13蛋白的一半,因为小所以递送更加方便。
不会完全取代RNAi技术
张锋的研究就围绕这一系统,今年5月,中科院脑智中心(中科院神经所)的科学家杨辉及其团队在Nature Methods也发表了相关的研究论文。
该研究称,通过对微生物大规模宏基因组数据进行计算分析发现两类新的CRISPR/Cas13系统,可以用作开发RNA编辑的基因治疗手段,效果同样类似于RNAi,阻断相应基因表达的转录过程,让基因沉默。
杨辉团队的博士后及参与研究的研究人员之一周英思告诉虎嗅,与张锋的研究相比,二者的Cas13蛋白序列上存在很大的重叠,不同点在于双方的实验体系的不同,从而采用了不同的研究策略,例如张锋老师的文章都很少涉及流式细胞实验,而杨辉老师的文章则很少涉及生化和原核细胞实验。
由于作用效果与RNAi技术相似且沉默效率更好,双方的研究是否会对RNAi的市场产生冲击?周英思持否定的态度。
他认为,RNAi具备先发优势,整个领域经历了20多年积淀已经非常成熟了,而且已经有几款疗法成功上市。Cas13相比于Cas9都显得很年轻,它在效率,保真性上比RNAi更有优势,另外在体内更容易实现组织特异性和条件特异性的RNA敲低,但其安全性仍需要经历长期谨慎的评估。当然,目前小型Cas13可以高效地编辑绝大部分位点,可能会在未来大大降低RNA干扰药物研发以及新靶点研究的成本。
相比于取代RNAi,他认为CRISPR/Cas13在RNA单碱基编辑方面具有更独特的价值,例如它通过单个AAV递送就能精准高效地修复体内某些致病突变,同时他们也发现截短型Cas13比任何已知的RNA结合蛋白都具有更好的特异性。过去的CRISPR多停留在DNA编辑工具,科学家对RNA的关注热度不高,而先驱之一张锋的研究也进一步说明,基因编辑工具的研究热点正在向RNA偏移。未来,更多疾病的治疗都将起始于这些零星崭新改变。
我是本文作者苏北佛楼蜜,人类最后的严肃都该留给生物技术。珍惜所有与你沟通的机会,微信:Pinkfloyddddd,欢迎您来。