研究人员在动物体内发现了新的类似CRISPR的系统可以编辑人类基因组

由麻省理工学院、哈佛大学布罗德研究所和麻省理工学院麦戈文脑研究所的张锋领导的研究小组发现了真核生物(包括真菌、植物和动物)中第一个可编程的RNA引导系统。

在《自然》杂志上发表的一项研究中，该团队描述了该系统如何基于一种名为Fanzor的蛋白质。他们表明Fanzor蛋白使用RNA作为精确靶向DNA的指南，并且Fanzor可以重新编程以编辑人类细胞的基因组。与CRISPR/Cas系统相比，紧凑型Fanzor系统有可能更容易地作为治疗药物传递到细胞和组织，并且进一步改进以提高其靶向效率可能使它们成为人类基因组编辑的有价值的新技术。

CRISPR/Cas首次在原核生物(细菌和其他缺乏细胞核的单细胞生物)中发现，包括张实验室在内的科学家长期以来一直想知道真核生物中是否存在类似的系统。这项新研究表明，RNA引导的DNA切割机制存在于所有生命领域。

该研究的资深作者、布罗德研究所的核心成员、麻省理工学院麦戈文研究所的研究员张说：“基于CRISPR的系统被广泛使用且功能强大，因为它们可以轻松地重新编程以针对基因组中的不同位点。”麻省理工学院神经科学James和PatriciaPoitras教授，霍华德休斯医学研究所研究员。“这个新系统是对人类细胞进行精确改变的另一种方法，补充了我们已有的基因组编辑工具。”

寻找生命的领域

张实验室的一个主要目标是使用可以通过针对特定基因和过程来调节人类细胞的系统来开发基因药物。“几年前，我们开始问，‘除了CRISPR之外还有什么，自然界中是否还有其他RNA可编程系统?’”张说。

两年前，张实验室成员在原核生物中发现了一类名为OMEGA的RNA可编程系统，该系统通常与细菌基因组中的转座元件或“跳跃基因”相关，并可能催生了CRISPR/Cas系统。这项工作还强调了原核OMEGA系统和真核生物中Fanzor蛋白之间的相似性，表明Fanzor酶也可能使用RNA引导的机制来靶向和切割DNA。

在这项新研究中，研究人员通过从真菌、藻类和变形虫物种以及一种被称为北方圆蛤的蛤中分离出Fanzors，继续研究RNA引导系统。张实验室的共同第一作者MakotoSaito领导了Fanzor蛋白的生化表征，表明它们是DNA切割核酸内切酶，利用附近的非编码RNA(称为ωRNA)来靶向基因组中的特定位点。这是首次在动物等真核生物中发现这种机制。

与CRISPR蛋白不同，Fanzor酶是在真核基因组的转座元件中编码的，该团队的系统发育分析表明Fanzor基因已通过所谓的水平基因转移从细菌迁移到真核生物。

Saito说：“这些OMEGA系统是CRISPR的祖先，它们是地球上最丰富的蛋白质之一，因此它们能够在原核生物和真核生物之间来回跳跃是有道理的。”

为了探索Fanzor作为基因组编辑工具的潜力，研究人员证明它可以在人类细胞内的目标基因组位点产生插入和删除。

研究人员发现Fanzor系统最初剪切DNA的效率低于CRISPR/Cas系统，但通过系统工程，他们在蛋白质中引入了突变组合，使其活性提高了10倍。此外，与一些CRISPR系统和OMEGA蛋白TnpB不同，研究小组发现真菌衍生的Fanzor蛋白不表现出“附带活性”，即RNA引导的酶切割其DNA靶标并降解附近的DNA或RNA。结果表明Fanzors有可能被开发为高效的基因组编辑器。

共同第一作者PeiyuXu领导了一项工作，分析了Fanzor/ωRNA复合物的分子结构，并说明了它如何锁定DNA并对其进行切割。Fanzor与其原核对应物CRISPR-Cas12蛋白具有结构相似性，但ωRNA与Fanzor催化结构域之间的相互作用更广泛，表明ωRNA可能在催化反应中发挥作用。Xu说：“我们对这些结构见解感到兴奋，它们可以帮助我们进一步设计和优化Fanzor，以提高基因组编辑的效率和精度。”

与基于CRISPR的系统一样，Fanzor系统可以轻松地重新编程以针对特定的基因组位点，Zhang表示，有一天它可能会发展成为一种强大的新型基因组编辑技术，用于研究和治疗应用。像Fanzors这样大量的RNA引导核酸内切酶进一步扩大了生命王国中已知的OMEGA系统的数量，并表明还有更多的系统有待发现。

“大自然真是太神奇了。有如此多的多样性，”张说。“可能还有更多的RNA可编程系统，我们正在继续探索，希望能发现更多。”