近期，基因编辑领域可谓 “百花盛开”。
继张锋教授团队发表了超小型 Cas13 基因编辑系统研究论文后，又有 3 篇分别来自中国、韩国、美国的关于 Cas12 的研究，频频刷新了 “最小” 基因编辑工具的纪录。
近日，麻省理工学院麦戈文研究所的 Omar Abudayyeh 和 Jon Gootenberg 团队宣布发现了一种新型的 RNA 编辑工具 Cas7-11（Cas7 和 Cas11 的融合蛋白），靶向 RNA 且没有明显的旁切活性或毒性。这项研究也以题为 Programmable RNA targeting with the single-protein CRISPR effector Cas7-11 发表在 Nature 上。
“这种新蛋白就像靶向 DNA 的 Cas9，会产生两次精确的切割，并且不会像其它酶在此过程中破坏细胞。” Abudayyeh 说道。
比 Cas13 切割更精准？
Abudayyeh 和 Gootenberg 是张锋的学生和同事，在张锋实验室攻读研究生期间，两人就在张锋的带领下合作发现了 Cas13。Cas13 在切割靶 RNA 后能够继续保持活性，而且可以表现出不加区别的切割活性。因 Cas13 的切割特性，暂未被应用到治疗领域，但研究人员凭借着其独有特性开发了基于 RNA 的病毒诊断工具，并成立了名为 Sherlock Biosciences 的诊断工具公司。Abudayyeh 因此位列 2020 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 榜单。Gootenberg 也因先后参与发现 Cas12 和 Cas13 获得了 2021 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”。同时，该团队仍在寻找切割 RNA 的新 Cas 酶。科学界将 CRISPR-Cas 系统划分为两大类，第一大类即由多亚基组成的效应复合物发挥功能；第二大类系统则是由单个效应蛋白（如 Cas9）来发挥功能。在已知系统中，只有 type III 和 type VI 系统针对 RNA。在类型 III 系统中，RNA 靶向由 Cas7 介导，VI 型系统包含单蛋白 CRISPR 效应器 Cas13。在团队仔细研究公共数据库以检查不同细菌防御系统的组成部分时，一种来自东京湾的细菌的蛋白质引起了他们的注意，该菌在 22 年前就被发现。其氨基酸序列表明该蛋白属于一类 CRISPR 系统，该系统使用多亚基组成的效应复合物来寻找和切割目标。团队的研究证据表明，通过进化过程，更复杂的 Cas 蛋白组分融合在一起形成了 Cas7-11 蛋白。Gootenberg 这样形容，“当您假设鸟类是唯一会飞的动物时，却发现了蝙蝠，从而认识到了飞行有多种进化路径。这完全改变了人类对于分类系统的看法，无论是从功能，还是进化上。”图 | CRISPR 工具包中的 DNA 工具（红色）正在接近容量，但研究人员现在开始寻找新的工具来编辑 RNA（蓝色）（来源：麦戈文研究所）Cas7-11 包含四个 Cas7 的亚基和一个 Cas11 的亚基。与其它 CRISPR 蛋白一样，Cas7-11 也被细菌用作抵御病毒的防御机制。它是一种单一的编辑蛋白质，但从基因上讲，它显然是从一类系统进化而来的。这意味着研究人员多年来一直忽视的细菌中可能存在其他具有医学价值的 CRISPR 蛋白。对于新发现的 Cas7-11 蛋白，哈佛生物化学家 David Liu 表示，“这一发现是发展趋势的一部分，研究人员将利用细菌来寻找具有更好特性的蛋白质。Cas13、Cas12、Cas9 等蛋白会被新发现的 CRISPR 蛋白中最好的蛋白所取代。”为了研究 Cas7-11 的治疗潜力，研究人员将其与 RNA 向导一起转入细胞，Cas7-11 进行了精确的切割，同时保持其它 RNA 不受干扰。这意味着研究人员可以使用 Cas7-11 来改变 RNA 代码中的特定碱基，纠正由基因突变引入的错误。Abudayyeh 和 Gootenberg 还发现，Cas7-11 切割 RNA 的能力可能会受到一种蛋白质的抑制，这种蛋白质似乎参与触发程序性细胞死亡，这表明 CRISPR 防御与对感染的极端反应之间可能存在联系。“我们认为 Cas7-11 切割的独特方式可以实现许多有趣和多样化的应用，当然我们目前只是触及了自然多样性的皮毛。”Gootenberg 补充道。他也指出目前没有其它 CRISPR 工具可以如此精确地切割 RNA。
业内人士：体内递送仍需解决
很显然，Gootenberg 和 Abudayyeh 想要凭借着 Cas7-11 在不同领域大展拳脚，他们已经描绘了一纸蓝图：用作抗病毒剂、在不接触人类 RNA 的情况下切除冠状病毒或 HIV 等基于 RNA 的病毒、用来瞄准肿瘤、删除亨廷顿舞蹈症、肌营养不良症等疾病中的外来 RNA，也可以用于再生组织中......团队已经证明，基因治疗载体 AAV 可以将完整的 Cas7-11 编辑系统递送到细胞，并且 Cas7-11 不会损害细胞的健康。但不乏一些尖锐的声音。RNA 靶向基因治疗公司 Locanabio 的研发主管 Ranjan Batra 指出，这项研究只表明 Cas 7-11 比最初的 Cas13 更安全，而且仅是在几个不同的细胞系中进行了验证。Locanabio 正在使用工程化和新发现的 Cas13 形式来克服其最初的缺点。研究人员现在使用它们来开发以 RNA 重复为特征的疾病的治疗方法，包括亨廷顿舞蹈症、某些肌肉萎缩症。Batra 还指出，与 Locanabio 的 Cas13 酶不同，Cas7-11 目前太大，无法装入研究人员通常用来向患者提供 CRISPR 的病毒中。“这最终可能会导致构建一个更小的版本，但他们还没有。在这一点上，我不确定能看到什么潜在优势。”辉大基因创始人杨辉也告诉生辉，“这是 RNA 编辑应用到临床必经的方向，但这种新型的蛋白太大了，应用到体内不好递送。” 杨辉指出可以从两方面切入改进 RNA 编辑，包括筛选更小的 Cas7-11 蛋白，以及改造现有的小型 Cas13，消除其旁切活性。张锋也一直致力于打破递送的僵局。前段时间，张锋实验室的研究人员在验证了上千个 Cas13 的构建体后，确定了 Cas13 的一个亚家族 ——Cas13bt，大小是其它酶的一半，可以包装进 AAV 中，为基因编辑工具导入人体细胞取得了突破。尽管 Cas7-11 还存在缺陷，但研究人员计划将 Cas7-11 授权给一家处于隐身模式的公司。根据他们在论文中的利益冲突声明，要么是 Moment Biosciences，要么是 Tome Biosciences 公司。Gootenberg 和 Abudayyeh 是两家公司的联合创始人。很明显，RNA 编辑工具正在发展。不同于 DNA 层面上的编辑修改所带来的对基因组不可逆的永久性改变，RNA 编辑的一大优势是它的可逆性，因为 RNA 只是 DNA 转录出来的中间产物。不同工具的出现也正在拓展我们操纵 RNA 的能力。
- RNA-targeting enzyme expands the CRISPR tool kit - MIT McGovern Institute
- https://endpts.com/two-feng-zhang-lab-alumni-find-a-new-crispr-enzyme-that-could-take-a-big-gulp-out-of-rna-and-a-raft-of-devastating-diseases/
- https://www.technologyreview.com/innovator/jonathan-gootenberg/
- Özcan, A., Krajeski, R., Ioannidi, E. et al. Programmable RNA targeting with the single-protein CRISPR effector Cas7-11. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03886-5
