基因编辑新款“瑞士军刀”问世，小巧又好用！

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作者：龚路遥（中国科学院微生物研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

去年8月23日，我们团队——中国科学院微生物研究所向华团队，在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上发表了题为《工程化最小I型 CRISPR-Cas 实现(xiàn)人(rén)类(lèi)细(xì)胞(bāo)的(de)转(zhuǎn)录(lù)激(jī)活(huó)和(hé)碱(jiǎn)基(jī)编(biān)辑(ji)》的(de)最(zuì)新(xīn)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)，成(chéng)功(gōng)应(yīng)用(yòng)Class 1中(zhōng)最(zuì)精(jīng)简(jiǎn)的(de)I-F2型(xíng)系(xì)统(tǒng)，在(zài)人(rén)类(lèi)细(xì)胞(bāo)中(zhōng)实(shí)现(xiàn)了(le)高(gāo)效(xiào)基因调控，并开发了具有宽编辑窗口的碱基编辑工具。

论文DOI: 10.1038/s41467-024-51695-x

怎样理解这款基因编辑的新工具呢？它又将如何改变我们的生活？

基因编辑技术，就像一把“基因魔剪”

基因编辑作为近年来发展迅猛的颠覆性技术，具有广阔的应用前景，如修复遗传疾病的突变基因、提高农作物的产量和抗旱性等。

基因编辑技术是指对生命遗传物质（DNA）进行精确改造的技术。简单来说，它就像是给DNA做“剪切粘贴”的工具。

DNA是生物体内携带遗传信息的分子，它决定了生物的各种特征，比如眼睛的颜色(sè)、身(shēn)高(gāo)，甚(shén)至(zhì)是(shì)某(mǒu)些(xiē)疾(jí)病(bìng)的(de)易(yì)感(gǎn)性(xìng)。想(xiǎng)象(xiàng)一(yī)下(xià)，DNA就(jiù)像(xiàng)是(shì)一(yī)本(běn)说(shuō)明(míng)书(shū)，里(lǐ)面(miàn)写(xiě)着(zhe)如(rú)何(hé)构(gòu)建(jiàn)一(yī)个(gè)生(shēng)物(wù)体(tǐ)的(de)所(suǒ)有(yǒu)指(zhǐ)令(lìng)。基(jī)因编(biān)辑(ji)技(jì)术(shù)就(jiù)是(shì)让(ràng)我(wǒ)们(men)能(néng)够(gòu)阅(yuè)读(dú)这(zhè)本(běn)说(shuō)明(míng)书(shū)，并(bìng)且(qiě)对(duì)其(qí)中(zhōng)的(de)内(nèi)容(róng)进(jìn)行(xíng)修(xiū)改(gǎi)。

具(jù)体(tǐ)来(lái)说(shuō)，基(jī)因(yīn)编(biān)辑(ji)技(jì)术允许科学家们定位到DNA上的特定位置，然后进行精确的切割，就像是用剪刀剪掉说明书上的某一句话。接着，科学家们可以替换掉被剪掉的部分，或者添加一些新的内容，这就像是用胶水把新的句子粘到说明书上。

通过对指定的突变基因进行修复、对有害基因进行清除或对有益基因进行强化等，DNA的指令得到了修改，生物也从而获得了新的功能或表型。

最流行的“分子剪刀”，也并非完美

目前，最流行的基因编辑技术叫做CRISPR-Cas9，它就像是一把非常锋利的“分子剪刀”，可以快速、高效地对DNA进行编辑。

那么，CRISPR-Cas9为什么能够起到“分子剪刀”的作用呢？

CRISPR-Cas系统是广泛存在于细菌和古菌中的免疫系统，就像是它们身体里的“警察”，能够识别并“抓住”那些想要(yào)伤(shāng)害(hài)它们的病毒。

而CRISPR-Cas9就像是这个免疫系统中的一个特别厉害的“警察”。它由两部分组成：一个是“向导”（引导RNA），另一个是“剪刀”（Cas9蛋白）。当病毒试图入侵细菌时，“向导”会先找到病毒的DNA（就像是病毒的“身份证”），然后“剪刀”就会剪断病毒的DNA，使病毒无法正常工作。

科学家们发现这个“警察”非常厉害，于是他们就利用这个原理，开发出了一种叫做CRISPR-Cas9的工具，用来编辑其他生物的基因(yīn)。

首(shǒu)先，科学家们会设计一个“向导”，这个“向导”可以精确地找到我们想要编辑的DNA序列。然后，再使用“剪刀手”在那个位置上剪断DNA。接下来，细胞会尝试修复这个断(duàn)裂(liè)的(de)地方，而科学家们可以利用这个机会，把他们想要的基因片段添加进去，或者修改现有的基因。

基因编辑技术

（图片来源：veer图库）

CRISPR-Cas系统具有高效、特异、设计简单等显著优势，目前已被广泛应用于从细菌至哺乳动物等多种生物的基因编辑。

然而，即便是像CRISPR-Cas9工具这样流行的“分子剪刀”，也并非是完(wán)美(měi)的(de)。传(chuán)统(tǒng)的(de)CRISPR-Cas系统在编辑过程中会切割靶标DNA双链，可能引起细胞损伤等风险。

碱基编辑技术：“剪刀”升级为“可擦笔”

为改进这一缺点，在传统(tǒng)的(de)CRISPR-Cas系统基础上，衍生出了一种重要的碱基编辑技术。

碱基编辑技术就像是一支特殊的笔，它结合了切割功能受损的CRISPR-Cas和一种叫做脱氨酶的“墨水”。当“向导”找到需要修改的DNA位置时，神奇的“墨水”可以直接把那个位置的字母改成我们想要的字母，从而避免了剪断DNA双链可能会造成的损伤。

但是，这种特殊的笔也有它的限制。比如，它只能在一定范围内修改字母，这个范围就是“编辑窗口”。目前，科学家们正在努力让这支笔进化得更小巧、更精确，并且能够修改不同范围的字母。

此外，就像不同的纸可能需要不同的笔来书写一样，单一的基因编辑工具难以在不同的生物中发挥功能。科学家们也正致力于发现更多CRISPR-Cas类型，为多样化的基因编辑工具开发提供支持。

这也是我们团队（中国科学院微生物研究所向华团队）一直努力的方向。

新款基因编辑“瑞士军刀”问世

如前文所说，在细菌的免疫系统中，CRISPR-Cas系统种类多样，不只有CRISPR-Cas9这一个“警察”。

其中，I型CRISPR-Cas系统可以组合多种Cas蛋白形成复合物（Cascade）。Cascade可以与不同的功能元件组装，开发不同的衍生工具。基(jī)于(yú)这(zhè)一(yī)系(xì)统(tǒng)开(kāi)发的遗传工具，在细菌和古菌中表现出高效性与适应性，但较大的基因尺寸却不利于工具的递送，限制了其在哺乳动物细胞中的应用。

因此，我们团队近年来将目光聚焦到了I-F2型系统上，它具有最精简、基因尺寸最小的Cascade。但在此前，科学家一直未能在哺乳动物细胞中检测到它的活性。这也为我们团队的研发带来了挑战。

通过生物信息学分析，我们团队在数据库中找到93个不同菌种来源的I-F2型CRISPR-Cas系统。这极大地扩充了这类系统的基因资源，为其应用提供更多选择。其中，11个不同来源的I-F2型CRISPR-Cas系统被合成并在人类细胞中测试其功能。

最终，我们发现来自奥斯陆莫拉氏菌（Moraxella osloensis CCUG 350）的I-F2型系统在人类细胞中可以表现出较好的活性。它的Cascade仅由3种蛋白组成（Cas5-6-7），基因大小之和约2.7kb, 比目前应用最广的SpCas9（约4.1kb）还要小。

我们通过将I-F2型系统融合不同的功能元件，在人类细胞中实现了不同的功能，它就像一组“瑞士军刀”，虽然小巧，但非常好用：

1.多基因表达上调：在该系统的Cas7蛋白上融合转录激活因子VPR，我们获得了I-F2型转录激活工具（I-F2 CRISPRa），可实现多个基因的表达上调。这意味着，如果我们想让细胞多产生一些特定的蛋白质，可以用这个功能来实现。

2.靶(bǎ)标(biāo)基(jī)因(yīn)表(biǎo)达(dá)进(jìn)一(yī)步(bù)提(tí)高(gāo)：通(tōng)过(guò)对(duì)引(yǐn)导(dǎo)RNA和(hé)Cas7的(de)工(gōng)程(chéng)化(huà)改(gǎi)造(zào)，靶(bǎ)标(biāo)基(jī)因(yīn)的(de)表(biǎo)达(dá)进(jìn)一(yī)步(bù)提(tí)高(gāo)，可(kě)以(yǐ)与(yǔ)SpCas9相(xiāng)当(dāng)，甚(shén)至(zhì)在(zài)某(mǒu)些(xiē)位(wèi)点(diǎn)效(xiào)果(guǒ)更(gèng)强(qiáng)。可(kě)以(yǐ)理(lǐ)解(jiě)工(gōng)具(jù)变(biàn)得(de)更(gèng)加(jiā)高(gāo)效(xiào)，可(kě)以(yǐ)产(chǎn)生(shēng)更(gèng)多(duō)特(tè)定(dìng)的(de)蛋(dàn)白(bái)。

3.更(gèng)宽(kuān)的(de)编(biān)辑(ji)窗(chuāng)口(kǒu)：在(zài)该(gāi)系(xì)统(tǒng)的(de)Cas5蛋(dàn)白(bái)上(shàng)融(róng)合(hé)表(biǎo)达(dá)腺(xiàn)嘌(piào)呤(lìng)脱(tuō)氨(ān)酶(méi)TadA-8e，我(wǒ)们(men)获(huò)得(de)了(le)I-F2型(xíng)腺(xiàn)嘌(piào)呤(lìng)碱(jiǎn)基(jī)编(biān)辑(ji)工(gōng)具(jù)（I-F2 ABE），其(qí)编(biān)辑(ji)窗(chuāng)口(kǒu)覆(fù)盖(gài)约(yuē)30个(gè)碱(jiǎn)基(jī)（基(jī)于(yú)Cas9的(de)碱(jiǎn)基(jī)编(biān)辑(ji)工(gōng)具(jù)窗(chuāng)口(kǒu)通常小于10个碱基），可以将编辑窗口内的腺嘌呤A变为鸟嘌呤G。I-F2 ABE产生的宽编辑窗口具有更多的可靶向位点，能诱导更多的突变类型。

I-F2型底层平台构建新型转录激活及碱基编辑工具

（图片来源：作者自绘）

应用潜力巨大，有望开发更多新型工具

目前来看，这款新型的基因编辑工具，展示出了巨大的潜力：

1.利于真核细胞中递送：这项研究突出了精简的I-F2型系统在真核生物中的应用潜力，其小型化的基因组成利于基因编辑工具的体内递送。

2.适用于作物育种与改良：宽窗口的碱基编辑工具适用于功能序列的破坏、作物育种中重要基因的原位饱和诱变与多重碱基编辑等。

3.新型底层平台：I-F2型系统Cascade的多蛋白组成，使其便于融合多个功能元件，为开(kāi)发(fā)更(gèng)多(duō)新(xīn)颖(yǐng)的(de)基(jī)因(yīn)操(cāo)作(zuò)工(gōng)具(jù)提(tí)供(gōng)底(dǐ)层(céng)平(píng)台(tái)。

这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)突(tū)出(chū)了(le)精(jīng)简(jiǎn)的(de)I型(xíng)系(xì)统(tǒng)在(zài)真(zhēn)核(hé)生(shēng)物(wù)中(zhōng)的(de)应(yīng)用(yòng)潜(qián)力(lì)，尤(yóu)其(qí)是(shì)具(jù)有(yǒu)宽(kuān)编(biān)辑(ji)窗(chuāng)口(kǒu)的(de)碱(jiǎn)基(jī)编(biān)辑(ji)工(gōng)具(jù)。未(wèi)来(lái)，对(duì)该(gāi)系(xì)统(tǒng)进(jìn)行(xíng)全面(miàn)的(de)工(gōng)程(chéng)化(huà)改(gǎi)造(zào)，还(hái)有(yǒu)望(wàng)进(jìn)一(yī)步(bù)提(tí)高(gāo)其(qí)编(biān)辑(ji)效(xiào)率(lǜ)或(huò)转(zhuǎn)录(lù)激(jī)活(huó)水(shuǐ)平(píng)。

参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)：

1.Pacesa, M., Pelea, O. & Jinek, M. Past, present, and future of CRISPR genome editing technologies. Cell 187, 1076-1100, doi:10.1016/j.cell.2024.01.042 (2024).

2.路遥(yáo) & 向(xiàng)华(huá). 2020 年(nián)度(dù)诺(nuò)贝(bèi)尔(ěr)化(huà)学(xué)奖(jiǎng): 源(yuán)自(zì)微(wēi)生(shēng)物(wù)学(xué)前(qián)沿(yán)研(yán)究(jiū)的(de)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò). 科(kē)学(xué)通(tōng)报(bào) 65, 4171-4176, doi:10.1360/TB-2020-1416 (2020).

3.Komor, A. C., Kim, Y. B., Packer, M. S., Zuris, J. A. & Liu, D. R. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature 533, 420-424, doi:10.1038/nature17946 (2016).

4.Makarova, K. S. et al. Evolutionary classification of CRISPR-Cas systems: a burst of class 2 and derived variants. Nature Reviews Microbiology 18, 67-83, doi:10.1038/s41579-019-0299-x (2020).

5.Li, M. et al. Toxin-antitoxin RNA pairs safeguard CRISPR-Cas systems. Science 372, doi:10.1126/science.abe5601 (2021).

6.Xu, Z. et al. Native CRISPR-Cas-Mediated Genome Editing Enables Dissecting and Sensitizing Clinical Multidrug-Resistant P. aeruginosa. Cell Reports 29, 1707-1717 e1703, doi:10.1016/j.celrep.2019.10.006 (2019).

7.Cheng, F. et al. Harnessing the native type I-B CRISPR-Cas for genome editing in a polyploid archaeon. Journal of Genetics and Genomics 44, 541-548, doi:10.1016/j.jgg.2017.09.010 (2017).